محققان با استفاده از سیلیکون حاوی نانوحفره، موفق به ساخت ابرخازنی شدند که زیر فشار و لرزش دچار مشکل نمی‌شود.
به گزارش گروه دانش خبرگزاری دانا (دانا خبر) پژوهشگران دانشگاه وندربیلت، موفق به ساخت ابرخازنی شدند که می‌تواند در زیر فشار و لرزش کار کند، این در حالی است که ابرخازن‌های فعلی امکان کار در چنین شرایطی را ندارند. این ویژگی موجب می‌شود که ابرخازن جدید فرصت‌های کاربردی جدیدتری بدست آورد.
برخلاف باتری‌ها که انرژی با استفاده از واکنش شیمیایی ذخیره سازی می‌شود، ابرخازن‌ها انرژی را به صورت یون‌های باردار ذخیره‌سازی می‌کنند که این یون‌ها در سطح الکترودهای متخلخل جمع می‌شوند.
ابرخازن‌ها مزایای متعددی دارند؛ برای مثال بسیار سریع شارژ شده، طول عمر بیشتری نسبت به باتری‌ها دارند و چرخه‌ی شارژ/دشارژ آن‌ها میلیون‌ها مرتبه است. مشکل اصلی ابرخازن‌ها این است که وزن بالاتری نسبت به باتری‌های یون لیتیم دارند.
برای حل این مشکل باید ابرخازن‌هایی تولید کرد که ماده به کار رفته در آن‌ها هم نقش ذخیره کننده و هم نقش اسکلت را در سازه ایفا کند. به بیان دیگر ابرخازن باید به گونه‌ای طراحی شود که هم به عنوان بخشی از دستگاه هدف باشد و هم ذخیره سازی را انجام دهد. برای مثال در منازل، دیوارها به گونه‌ای طراحی شوند که نقش ذخیره‌کننده را نیز ایفا کنند. چنین ابرخازنی باید بتواند زیر فشار و لرزش نیز به فعالیت خود ادامه دهد. در ابرخازن‌های رایج، با اعمال فشار خارجی الکترود و الکترولیت از یکدیگر جدا خواهند شد.
پژوهشگران دانشگاه وندربیلت الکترودهایی از جنس ویفر سیلیکونی طراحی کرده‌اند که دیواره داخلی آن‌ها به صورت الکتروشیمیایی اچ شده و در نهایت نانوحفره‌هایی روی آن پدید آمده است. سپس روی سطح این الکترودها را با لایه‌ی نازکی از کربن پوشش داده و در نهایت یک پلیمر رسانا به عنوان الکترولیت درون این حفره‌ها تزریق می‌شود. این الکترولیت به شکلی تثبیت شده که به راحتی از سیستم خارج نمی‌شود.
پژوهشگران روی این ابرخازن آزمایش‌هایی انجام دادند که نتایج نشان داد که دانسیته‌ی انرژی 10 Wh/kg از این ابرخازن بدست می‌آید، همچنین افزایش فشار تا 44 Psi خللی در علمکرد این ابرخازن ایجاد نمی‌کند. طراحی این ابرخازن به گونه‌ای است که هزینه‌ی تولید آن به دلیل سادگی ساختار، بسیار کم است. این ابرخازن زیست‌سازگار و غیرقابل اشتعال می‌باشد.
نتایج این پژوهش در نشریه‌ی Nano Letters به چاپ رسیده است.
برخلاف باتری‌ها که انرژی با استفاده از واکنش شیمیایی ذخیره سازی می‌شود، ابرخازن‌ها انرژی را به صورت یون‌های باردار ذخیره‌سازی می‌کنند که این یون‌ها در سطح الکترودهای متخلخل جمع می‌شوند.
ابرخازن‌ها مزایای متعددی دارند؛ برای مثال بسیار سریع شارژ شده، طول عمر بیشتری نسبت به باتری‌ها دارند و چرخه‌ی شارژ/دشارژ آن‌ها میلیون‌ها مرتبه است. مشکل اصلی ابرخازن‌ها این است که وزن بالاتری نسبت به باتری‌های یون لیتیم دارند.
برای حل این مشکل باید ابرخازن‌هایی تولید کرد که ماده به کار رفته در آن‌ها هم نقش ذخیره کننده و هم نقش اسکلت را در سازه ایفا کند. به بیان دیگر ابرخازن باید به گونه‌ای طراحی شود که هم به عنوان بخشی از دستگاه هدف باشد و هم ذخیره سازی را انجام دهد. برای مثال در منازل، دیوارها به گونه‌ای طراحی شوند که نقش ذخیره‌کننده را نیز ایفا کنند. چنین ابرخازنی باید بتواند زیر فشار و لرزش نیز به فعالیت خود ادامه دهد. در ابرخازن‌های رایج، با اعمال فشار خارجی الکترود و الکترولیت از یکدیگر جدا خواهند شد.
پژوهشگران دانشگاه وندربیلت الکترودهایی از جنس ویفر سیلیکونی طراحی کرده‌اند که دیواره داخلی آن‌ها به صورت الکتروشیمیایی اچ شده و در نهایت نانوحفره‌هایی روی آن پدید آمده است. سپس روی سطح این الکترودها را با لایه‌ی نازکی از کربن پوشش داده و در نهایت یک پلیمر رسانا به عنوان الکترولیت درون این حفره‌ها تزریق می‌شود. این الکترولیت به شکلی تثبیت شده که به راحتی از سیستم خارج نمی‌شود.
پژوهشگران روی این ابرخازن آزمایش‌هایی انجام دادند که نتایج نشان داد که دانسیته‌ی انرژی 10 Wh/kg از این ابرخازن بدست می‌آید، همچنین افزایش فشار تا 44 Psi خللی در علمکرد این ابرخازن ایجاد نمی‌کند. طراحی این ابرخازن به گونه‌ای است که هزینه‌ی تولید آن به دلیل سادگی ساختار، بسیار کم است. این ابرخازن زیست‌سازگار و غیرقابل اشتعال می‌باشد.
نتایج این پژوهش در نشریه‌ی Nano Letters به چاپ رسیده است.
