محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر موفق به تولید نمونه اولیه ابرخازنی شدند که می‌توان از آن در تولید تجهیزات الکترونیکی منعطف و منسوجات هوشمند بهره برد. در این طرح آزمایشگاهی، ساختار یک ابرخازن میکرومتری روی بستری از منسوجات با روش طراحی لیزر ایجاد شده است.
به گزارش خبرگزاری دانا از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو ریاست جمهوری، امروزه تجهیزات الکترونیکی مانند تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ به زندگی بشر پیوند خورده‌اند و صنعت تولید تجهیزات الکترونیکی به‌سرعت در حال پیشرفت است. شرکت‌های بزرگ تولید تجهیزات الکترونیک به دنبال افزودن قابلیت‌های متعدد از جمله قابلیت انعطاف پذیری بالا به محصولات خود هستند. خازن ها جزیی جدایی‌ناپذیر در تجهیزات الکترونیکی، به‌خصوص تجهیزات الکترونیکی قابل‌حمل به شمار می‌روند. ازاین‌رو جهت استفاده در ادوات الکترونیکی منعطف قابل حمل و یا منسوجات هوشمند، تولید خازن‌های انعطاف‌پذیر ضروری به نظر می‌رسد.
وحید بابااحمدی محقق دانشگاه صنعتی امبیرکبیر، با اشاره به مشکلات موجود در مسیر تولید تجهیزات الکترونیکی منعطف در رابطه با اهداف دنبال شده در این طرح گفت: در زمینه ساخت ادوات ذخیره کننده انرژی مشکلاتی نظیر عدم پایداری در برابر شست‌وشو و انعطاف کم ساختار وجود دارد که کاربرد گسترده آن‌ها را با مشکل مواجه کرده است. در طرح حاضر با نشاندن نانوصفحات گرافن روی بستری از جنس پارچه پلی استر این مشکل تا حدود زیادی حل شده است.
وی افزود: در واقع در این طرح یک نمونه ابرخازن پارچه‌ای تولید شده که پایداری زیادی دارد و پس از شست‌وشو نیز دچار افت کارایی نمی‌شود و می توان از آن در منسوجات هوشمند و یا ادوات الکترونیکی منعطف استفاده نمود.
تولید ابرخازن‌ها نیازمند ساختاری رسانا و با سطح مخصوص بزرگ است. در طرح حاضر این سطح بزرگ با استفاده از نانوصفحات گرافن تأمین شده است و استفاده از الکترولیت حالت جامد موجب شده تا بتوان ساختار خازن را به یک ساختار منعطف تبدیل کرد. این ساختارهای سه‌بعدی نانومتری موجب افزایش سرعت فعالیت‌های الکتروشیمیایی می‌شود که این امر در تبادل یون بسیار مؤثر است.
به گفته بابااحمدی، گرافن اکسید به دلیل سطح مخصوص بسیار بالا و همچنین پتانسیل تبدیل به گرافن، به‌عنوان ترکیب اصلی جهت تولید ابرخازن مورد استفاده قرار گرفته است. اما این ترکیب علی‌رغم خواص منحصربه‌فرد، پایداری بسیار پایینی در برابر رطوبت از خود نشان می‌دهد. ازاین‌رو در این تحقیق با استفاده از مواد کراس‌لینک کننده امکان افزایش پایداری شست و شوی گرافن اکسید و الکترولیت حالت جامد (PVA-H2SO4) میسر شده است. ساختار ابرخازن با استفاده از پرتودهی لیزر به صورت مستقیم و با الگوی مشخص روی پارچه کراس لینک شده ایجاد می‌شود. با توجه به حضور الکترولیت جامد کراس‌لینک شده، می‌توان یک پوشش یکنواخت روی سطح ایجاد کرد. پس از ایجاد ساختار خازنی، از آنالیزهایی مانند پراش اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی FESEM و رامان برای مشخصه یابی ساختار و از روش ولتامتری چرخه‌ای، امپدانس الکتروشیمیایی به‌منظور بررسی رفتار ذخیره‌سازی انرژی استفاده شده است.
نتایج به‌دست‌آمده از آزمون‌های آزمایشگاهی حاکی از آن است که میزان دانسیته ذخیره انرژی در حالت‌های مختلف خمشی و پس از شست‌وشو 756 میکروفاراد بر سانتی‌متر مربع است و کارایی ابرخازن پس از 1000 بار سیکل شارژ/تخلیه به میزان 98.3 حفظ شده است.
شایان‌ذکر است نمونه اولیه این نوع پارچه‌ها تولید شده و در اداره مالکیت‌های معنوی به شماره ثبت اختراع 94582 به ثبت رسیده است.
وحید بابااحمدی– دانشجوی مقطع دکتری دانشگاه صنعتی امیرکبیر و دکتر مجید منتظر– عضو هیأت علمی این دانشگاه در انجام این طرح همکاری داشته‌اند. نتایج این کار در مجله Journal of Power Sources با ضریب تاثیر 6.396 (جلد 367، سال 2017، صفحات 34 تا 41) منتتشر شده است.
وحید بابااحمدی محقق دانشگاه صنعتی امبیرکبیر، با اشاره به مشکلات موجود در مسیر تولید تجهیزات الکترونیکی منعطف در رابطه با اهداف دنبال شده در این طرح گفت: در زمینه ساخت ادوات ذخیره کننده انرژی مشکلاتی نظیر عدم پایداری در برابر شست‌وشو و انعطاف کم ساختار وجود دارد که کاربرد گسترده آن‌ها را با مشکل مواجه کرده است. در طرح حاضر با نشاندن نانوصفحات گرافن روی بستری از جنس پارچه پلی استر این مشکل تا حدود زیادی حل شده است.
وی افزود: در واقع در این طرح یک نمونه ابرخازن پارچه‌ای تولید شده که پایداری زیادی دارد و پس از شست‌وشو نیز دچار افت کارایی نمی‌شود و می توان از آن در منسوجات هوشمند و یا ادوات الکترونیکی منعطف استفاده نمود.
تولید ابرخازن‌ها نیازمند ساختاری رسانا و با سطح مخصوص بزرگ است. در طرح حاضر این سطح بزرگ با استفاده از نانوصفحات گرافن تأمین شده است و استفاده از الکترولیت حالت جامد موجب شده تا بتوان ساختار خازن را به یک ساختار منعطف تبدیل کرد. این ساختارهای سه‌بعدی نانومتری موجب افزایش سرعت فعالیت‌های الکتروشیمیایی می‌شود که این امر در تبادل یون بسیار مؤثر است.
به گفته بابااحمدی، گرافن اکسید به دلیل سطح مخصوص بسیار بالا و همچنین پتانسیل تبدیل به گرافن، به‌عنوان ترکیب اصلی جهت تولید ابرخازن مورد استفاده قرار گرفته است. اما این ترکیب علی‌رغم خواص منحصربه‌فرد، پایداری بسیار پایینی در برابر رطوبت از خود نشان می‌دهد. ازاین‌رو در این تحقیق با استفاده از مواد کراس‌لینک کننده امکان افزایش پایداری شست و شوی گرافن اکسید و الکترولیت حالت جامد (PVA-H2SO4) میسر شده است. ساختار ابرخازن با استفاده از پرتودهی لیزر به صورت مستقیم و با الگوی مشخص روی پارچه کراس لینک شده ایجاد می‌شود. با توجه به حضور الکترولیت جامد کراس‌لینک شده، می‌توان یک پوشش یکنواخت روی سطح ایجاد کرد. پس از ایجاد ساختار خازنی، از آنالیزهایی مانند پراش اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی FESEM و رامان برای مشخصه یابی ساختار و از روش ولتامتری چرخه‌ای، امپدانس الکتروشیمیایی به‌منظور بررسی رفتار ذخیره‌سازی انرژی استفاده شده است.
نتایج به‌دست‌آمده از آزمون‌های آزمایشگاهی حاکی از آن است که میزان دانسیته ذخیره انرژی در حالت‌های مختلف خمشی و پس از شست‌وشو 756 میکروفاراد بر سانتی‌متر مربع است و کارایی ابرخازن پس از 1000 بار سیکل شارژ/تخلیه به میزان 98.3 حفظ شده است.
شایان‌ذکر است نمونه اولیه این نوع پارچه‌ها تولید شده و در اداره مالکیت‌های معنوی به شماره ثبت اختراع 94582 به ثبت رسیده است.
وحید بابااحمدی– دانشجوی مقطع دکتری دانشگاه صنعتی امیرکبیر و دکتر مجید منتظر– عضو هیأت علمی این دانشگاه در انجام این طرح همکاری داشته‌اند. نتایج این کار در مجله Journal of Power Sources با ضریب تاثیر 6.396 (جلد 367، سال 2017، صفحات 34 تا 41) منتتشر شده است.
