ساختار و ساختمان نانو ابر خازن ها بر پایه نانو الکترونیک 100 برابر بار بیشتری نسبت به انواع الکترولیت
This With 11 Page And PDF Format Ready To Download
- من نویسنده این مقاله هستم
استخراج به نرم افزارهای پژوهشی:
Abstract:
نانو ابر خازن رشته ای هم امکان عبور جریان و هم ذخیره سازی انرژی را دارد و برای ساخت این رشته، از سیم مسی و لایه های نانو مقیاس پلاستیکی استفاده شده است.تا کنون از کابل و سیم برای ذخیره جریان الکتریسیته استفاده میشد. اما یک رشته نانو سیم مسی سبک میتواند علاوه بر انتقال الکتریسیته، انرژی را نیز در خود ذخیره کند .از یک نانوساختار برای هدایت و ذخیره سازی استفاده میشود. چنین سیمی میتواند در داخل نانو لوله های تک لایه CNT برای ذخیره جریان استفاده گردد. نانو سیم مسی، یک غلاف نانو مقیاس قرار دارند. و این غلاف با یک آلیاژ ویژه ترکیب شده و در نهایت الکترودی ایجاد میکند. ابر خازن ها برای ذخیره سازی نیاز به الکترود دیگری نیز دارند. آنها برای این کار یک لایه پلاستیک نازک روی سطح غلاف قرار دارد و روی آن را با فلز دیگری پوشانده شده است. برای اتصال این لایه ها به هم از یک ژل ویژه نیز استفاده میشود. به دلیل وجود نانو لایه ی عایق،در ابر خازن ها رشته سیم درونی میتواند نقش انتقال دهندهی جریان را ایفا کند و الکترود خارجی نیز به صورت مستقل امکان ذخیره سازی را فراهم میکند. در این صورت ابرخازنی از جنس مس تولید میشود که هم امکان عبور جریان و هم ذخیره سازی را دارد. توماس معتقد است با مواد دیگر نیز میتوان چنین ابرخازنی تولید کرد. ذخیره انرژی و رسانایی الکتریکی کابل های نانو لوله ای میتواند در حد رسانایی سیم های فلزی باشد، در بین ترکیبات مختلف استفاده شده در ابرخازنها، مواد پایه گرافنی به ویژه گرافن سه بعدی به دلیل ساختار منحصر بفرد سه بعدی راه را برای نفوذ الکترولیت تسهیل کرده و سبب افزایش ذخیره انرژی میشوند. همچنین هدایت الکتریکی بالا و مساحت سطح زیاد از جمله دیگر مزایای این نوع ساختارهای متخلخل سه بعدی میباشد که پتانسیل بالقوهای برای کاربرد در نانو ابرخازن ها پیدا کرده اند.یکی از روش های بهینه سازی خواص سیستم های ذخیره ساز انرژی، توسعه مواد جدید برای کاربرد به عنوان ماده الکترود در نانو ابرخازنها میباشد. مواد کربنی نظیر گرافن، نانو لوله های کربنی، گرافیت، کربن نانو فایبر و ... به دلیل هدایت الکتریکی خوب، ارزان و در دسترس بودن، زیست سازگاری و پایداری شیمیایی خوب نقش مهمی در نانو ابر خازنها ایفا میکنند که یکی از جدیدترین این ساختارهای کربنی گرافن سه بعدی میباشد که به دلیل ساختار منحصر بفرد سه بعدی راه را برای نفوذ الکترولیت تسهیل کرده و مساحت سطح زیاد و هدایت الکتریکی بالایی دارد . یکی از فناوریهایی، که در سالهای اخیر رشد چشمگیری داشته و میتواند در آینده نزدیک منشا تحول در صنایع مختلف از جمله نانو الکترونیک شود، فناوری ساخت ابرخازنها است. میتوان گفت ابرخازن نوعی واسط بین خازنهای الکترولیت و باتری های قابل شارژ است. ساختار و ساختمان نانو ابر خازن ها بر پایه نانو الکترونیک 100 برابر بار بیشتری نسبت به انواع الکترولیت در حجم مساوی ذخیره کنند و با سرعت بسیار بیشتری نسبت به باتری شارژ و تخلیه شوند. البته هنوز این خازنها تا 10 برابر بار کمتری نسبت به بعضی انواع باتری در حجم مساوی ذخیره میکنند باتوجه به این ویژگیها، ابرخازنها در مواردی، که نیاز به دفعات مکرر شارژ و تخلیه باشد، سرعت شارژ بالا موردنیاز باشد و یا نیاز به تخلیه ناگهانی بار باشد، مورد استفاده قرار میگیرند.(تاکنون مصرف عمده آنها در صنایع الکترونیک به عنوان پشتیبان برای حافظه های SRAM بوده است.)نانو الکترونیک طرحواره ای از یک ابر خازن در نشان داده شده است. ایده اصلی برای رسیدن به ظرفیت بالای خازنی کاهش فاصله بارهای مثبت و منفی در خازن است. طراحی این خازنها به گونهای است که ضخامت لایه دیالکتریک در آنها از یک یا چند ملکول تجاوز نمیکند. نانو لایه دیالکتریک حایل بین بارهای مثبت و منفی است که ضخامت بسیار ناچیزی دارد. و نانو ماده هم الکترولیتی است که حاوی یونهای مثبت و منفی است. با قراردادن پتانسیل بین الکترودهای خازن، یونهای منفی به سمت الکترود مثبت و یونهای مثبت به سمت الکترود منفی حرکت میکنند. نهایتا دو خازن، که به صورت سری به هم وصل شده اند، به دست میآید.نانو ساختارهای پشتیبان (حافظه های چند کاربردی SRAM) ساخت تراشه های حافظه ای از جنس نانولوله های کربنی میباشد، اگر چه کشف نانو لوله های کربنی کوچک اما بسیار مقاوم، انعطاف پذیر و رسانا با ابعادی در حد رشته های DNA بوده است و استفاده از مولکولهای آلی ریز شبه کلروفیلی به جای خازن های ذخیره بار در تراشه های حافظه از نوع DRAM و SRAM ،جذب کند. نانو بلورها که کاربرد آن موجب افزایش طول عمر حافظه های فلش خواهد شد. و توسعه ی نوعی ماده مغناطیسی که براساس پروتئین فریتین (Ferritin) ساخته شده و در ساخت دیسک درایو و تراشه های حافظه به کار خواهد رفت.نانو خازن های الکترواستاتیک از فاصله بسیار کم بین الکترودهایشان نیز بهره می برند و نانو خازن های الکترواستاتیک از این نظر منحصر به فرد است. اگر الکترودها از هم دور باشند، بارهای مشابه روی سطح آنها به شدت یکدیگر را دفع می کنند. هنگامی که الکترودها نزدیکتر به هم قرار می گیرند، بارهای منفی و مثبت در هر دو طرف این نیروهای دافعه را متعادل می کنند و بار کل بیشتری را می توان در یک منطقه معین ذخیره کرد.ضخامت کل هر نانو خازن های الکترواستاتیک فقط 25 نانومتر است و بارها می توانند به هم نزدیک شوند. تا کنون، آرایه های نانو خازن های الکترواستاتیک نمی توانند کل انرژی زیادی را ذخیره کنند، زیرا آنها بسیار کوچک هستند. نانو خازن های الکترواستاتیک حاوی میلیاردها نانو خازن برای ذخیره مقادیر زیادی انرژی است. افزایش مقیاس تا یک سطح عملی بی اهمیت نیست، اما این جفت با هم برای ایجاد آرایه های بزرگتر کار می کنند. در ساختار نانو خازن های الکترواستاتیک می توانند به طور موثر چندین آرایه را به یکدیگر متصل کنند.یکی از مزیت های روش ساخت نانو خازن های الکترواستاتیک این است که می توان ابعاد نانو حفره و ضخامت های مربوط به الکترود و عایق را به دقت کنترل کرد.به طور کلی، نانو ابر خازن الکتریکی می توانند مقادیر زیادی انرژی ذخیره کنند، اما تمایل دارند به آرامی شارژ شوند و به سرعت فرسوده شوند. در همین حال، خازن ها طول عمر بیشتری دارند و می توانند به سرعت تخلیه شوند، اما کل انرژی بسیار کمتری را ذخیره می کنند. برای ساخت نانو ابر خازن الکتریکی میتوان آرایه های نانو ساختاری از خازن های الکترواستاتیک را ایجاد کرد. نانو خازن های الکترواستاتیک ساده ترین نوع دستگاه ذخیره سازی الکترونیکی انرژی هستند. آنها بار الکتریکی را روی سطح دو الکترود فلزی که توسط یک ماده عایق از هم جدا شده اند ذخیره می کنند. ظرفیت ذخیره سازی نانو ابر خازن الکتریکی به طور مستقیم با سطح این الکترودهای ساندویچ مانند متناسب است. ظرفیت ذخیره سازی نانو ابر خازن الکتریکی را میتوان با استفاده از نانو ساختار برای افزایش سطح ذخیره انرژی افزایش داد. الکترود های نانو ابر خازن الکتریکی مانند الکترود های موجود در خازن های معمولی کار می کنند، اما به جای صاف بودن، لوله ای هستند و در عمق نانو حفره ها جمع می شوند.نانو ابرخازن ها، که علاوه بر آن فوق خازن ها یا نانو خازن های الکتروشیمیایی نامیده می شوند، به این ترتیب به عنوان منابع سوخت امیدوار کننده ای با نرخ آزاد سازی شارژ سریع حیرت انگیز به وجود می آیند.شارژ سریع حیرت انگیز به وجود می آیند. برای بهبود اجرای نیرو (قابلیت سرعت بالا) ایجاد شده است، آنها هنوز به نقاط قطع ذاتی مشابهی وابسته هستند.در مورد ویژگی های الکتریکی و فرآیند ساخت یک ساختار نانو خازن با استفاده از (لایه های فلز-عایق- نانو لوله کربن-فلز) وجود دارد. این ساختار به دلیل ساختار منحصر به فرد نانو لوله، ظرفیت خازنی بالا و امکان چگالی ادغام فوق العاده بالا را نشان می دهد. الگوهای نانو مقیاس و نسبت ابعاد بالا با لیتوگرافی پرتو الکترونی برای ساخت این نانو ساختارهای عمودی به دست می آیند. این ساختار را می توان برای جایگزینی خازن هایی که از ساختار ستون سیلیکونی در حافظه دسترسی تصادفی پویا (DRAM) استفاده می کنند یا به عنوان یک خازن در مقیاس نانو برای دستگاه های نانو الکترونیکی مختلف استفاده کرد.برای ساخت نانو ابرخازن ها ولتاژ بالا و چگالی انرژی بالا فناوری های چند لایه نانو ساختار توسعه یافته پیشرفتی در عملکرد خازن ایجاد کنند. تکنیک های کندوپاش کنترل شده می تواند لایه های زیر میکرونی فوق العاده صافی از مواد دی الکتریک و رسانا را بگذارند. با استفاده از این فناوری، نانو ابرخازن های ولتاژ بالا با یک مرتبه بهبود در چگالی انرژی ممکن است قابل دستیابی باشند. دی الکتریک ها و مواد جدید که به خوبی درک شده اند برای استفاده با این فناوری مورد استفاده قرار میگیرند. نانو ابرخازن های توسعه یافته با فناوری چند لایه نانو ساختار ذاتا حالت جامد دارند و خواص مکانیکی و حرارتی فوق العاده ای از خود نشان می دهند.مواد دی الکتریک و مبادلات طراحی با چند لایه را بیشتر می کند. خازن های چند لایه نانو ساختار توسعه و مشخص خواهند شد.یکی از فناوریهایی، که در سالهای اخیر رشد چشمگیری داشته و میتواند در آینده نزدیک منشا تحول در صنایع مختلف از جمله نانو الکترونیک شود، فناوری ساخت ابرخازنها است. میتوان گفت ابرخازن نوعی واسط بین خازنهای الکترولیت و باتری های قابل شارژ است. ساختار و ساختمان نانو ابر خازن ها بر پایه نانو الکترونیک 100 برابر بار بیشتری نسبت به انواع الکترولیت در حجم مساوی ذخیره کنند و با سرعت بسیار بیشتری نسبت به باتری شارژ و تخلیه شوند. البته هنوز این خازنها تا 10 برابر بار کمتری نسبت به بعضی انواع باتری در حجم مساوی ذخیره میکنند باتوجه به این ویژگیها، ابرخازنها در مواردی، که نیاز به دفعات مکرر شارژ و تخلیه باشد، سرعت شارژ بالا موردنیاز باشد و یا نیاز به تخلیه ناگهانی بار باشد، مورد استفاده قرار میگیرند.
Keywords:
Authors
افشین رشید
استادیار ؛ عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران
مراجع و منابع این :
لیست زیر مراجع و منابع استفاده شده در این را نمایش می دهد. این مراجع به صورت کاملا ماشینی و بر اساس هوش مصنوعی استخراج شده اند و لذا ممکن است دارای اشکالاتی باشند که به مرور زمان دقت استخراج این محتوا افزایش می یابد. مراجعی که مقالات مربوط به آنها در سیویلیکا نمایه شده و پیدا شده اند، به خود لینک شده اند :