شبه‌خازن

طبقه‌بندی سلسله مراتبیِ ابرخازن‌ها و انواع مربوط به آن

شبه‌خازن‌ها یا خازن‌نماها (به انگلیسی: Pseudocapacitor) انرژی الکتریکی را به‌طورفارادیکی با انتقال بار الکتریکی الکترون بین الکترود و الکترولیت ذخیره می‌کنند. این امر از طریق الکتروجذبش، واکنش‌های کاهش-اکسایش (واکنش‌های اُکساکا) و فرآیندهای میان‌لایش انجام می‌شود که اصطلاحاً شبه‌ظرفیت نامیده می‌شود.^[۱]^[۲]^[۳]^[۴]^[۵]

شبه‌خازن بخشی از یک خازن الکتروشیمیایی است و همراه با یک خازن دولایه الکتریکی (EDLC) تشکیل می‌شود تا یک ابرخازن ایجاد کند.

شبه‌ظرفیت و ظرفیت دولایه به یک مقدار ظرفیت‌خازنی جداناپذیر (به انگلیسی: inseparable) مشترک یک ابرخازن اضافه می‌شود. با این حال، آنها می‌توانند با بخش‌های بسیار متفاوتی از مقدار ظرفیت کل بسته به طراحی الکترودها مؤثر باشند. یک شبه‌ظرفیت ممکن است با ضریب ۱۰۰ به‌صورت یک ظرفیت‌خازن دولایه با همان سطح الکترود، بیشتر باشد.

یک شبه خازن یک واکنش شیمیایی در الکترود دارد، برخلاف ئی‌دی‌ال‌سی‌ها که در آن ذخیره بار الکتریکی به‌صورت الکترواستاتیک و بدون اندرکُنش (به انگلیسی: interaction) بین الکترود و یون‌ها ذخیره می‌شود. شبه‌خازن با انتقال‌بار الکترون بین الکترولیت و الکترود همراه است که از یک وا-حلال‌پوشیده و یون برجذبش می‌آید. یک الکترون در هر واحد بار درگیر است. یون برجذب‌شده هیچ واکنش شیمیایی با اتم‌های الکترود ندارد (هیچ پیوند شیمیایی ایجاد نمی‌شود^[۶]) زیرا فقط یک انتقال-بار انجام می‌شود. به عنوان مثال یک واکنش اُکساکا است که در آن یون ⁺O² است و درطول شارژکردن، یک الکترود میزبان یک واکنش کاهش و دیگری یک واکنش اکسایش (به انگلیسی: oxidation) است. تحت تخلیه واکنش‌ها معکوس می‌شوند.

برخلاف باتری‌ها، در فارادیک یون‌های انتقال-بار الکترون به سادگی به ساختار اتمی یک الکترود می‌چسبند. این ذخیره‌سازی انرژی فارادیک که تنها با واکنش‌های اُکساکا سریع انجام می‌شود، سرعت شارژ و دشارژ شدن را بسیار سریع‌تر از باتری‌ها می‌کند.

شبه‌خازن‌های الکتروشیمیایی از اکسید فلز یا الکترودهای پلیمری رسانا با مقدار زیادی شبه‌خازن الکتروشیمیایی استفاده می‌کنند. مقدار بار الکتریکی ذخیره شده در یک شبه‌خازن به‌طور خطی با ولتاژ اعمال‌شده متناسب است. واحد شبه‌خازن فاراد است.

نمونه‌هایی از شبه‌خازن‌ها

برزسینکی و همکاران نشان داد که فیلم‌های مزوپُرلیک (به انگلیسی: mesoporous) α-MoO₃ به دلیل واردشدن یون‌های لیتیوم به شکاف α-MoO₃ ذخیره بار را بهبود بخشیده‌اند. آن‌ها ادعا می‌کنند که این شبه‌خازن میان‌لایِش (به انگلیسی: intercalation) در مقیاس‌زمانی مشابه با شبه‌خازن اُکساکا انجام می‌شود و ظرفیت ذخیره-بار بهتری را بدون تغییر سینتیک در MoO₃ مزوپُرلیک می‌دهد. این رویکرد برای باتری‌هایی با قابلیت شارژ سریع، قابل‌مقایسه با باتری‌های لیتیومی امیدوارکننده است^[۷] و برای مواد انرژی کارآمد نویدبخش است.

گروه‌های دیگر از لایه‌های نازک اکسید وانادیوم روی نانولوله‌های کربنی برای شبه‌خازن‌ها استفاده کرده‌اند. کیم و همکاران به‌طور الکتروشیمیایی اَریخت (به انگلیسی: amorphous) V₂O₅· $x$ H₂O را بر روی یک لایه نانولوله کربنی نشاندند. ساختار سه‌بُعدی زیرلایه نانولوله‌های کربنی ظرفیت‌خازنی لیتیوم‌یون ویژهٔ بالا را آسان می‌سازد و ظرفیت‌خازنی سه برابر بیشتر از اکسید وانادیم که روی یک زیرلایه پلاتین معمولی رسوب می‌کند را نشان می‌دهد.^[۸] این مطالعات توانایی اکسیدهای لایه‌نشانی‌شده را برای ذخیره مؤثر بار در شبه‌خازن‌ها نشان می‌دهد.

پلیمرهای رسانا، مانند پلی‌پیرول (PPy) و پلی (۳٬۴-اتیلن‌دی‌اکسی‌تیوفن) (PEDOT)، دارای رسانایی الکترونیکی قابل‌تنظیم هستند و می‌توانند با یون‌مخالف (به انگلیسی: counter-ion) مناسب به سطوح آلایش بالایی دست یابند. یک شبه‌خازن پلیمری رسانا با کارایی-بالا، پس از گذراندن چرخه‌های شارژ/دشارژ، پایداری چرخه‌زنی (به انگلیسی: cycling) بالایی دارد. رویکردهای موفق شامل نشاننده (به انگلیسی: embedding) پلیمر اُکساکا در فاز میزبان (مثلاً کاربید تیتانیوم) برای پایداری و رسوب یک پوسته کربنی روی الکترود پلیمری رسانا است. این فنون‌ها چرخه‌پذیری و پایداری افزاره شبه‌خازن را بهبود می‌بخشد.^[۹]

منابع

↑ Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications (به آلمانی), Berlin, Germany: Springer, 1999, pp. 1-8, ISBN 978-0-306-45736-4
↑ "ELECTROCHEMICAL CAPACITORS Their Nature, Function, and Applications", Electrochemistry Encyclopedia, archived from the original on 2012-04-30
↑ Halper, Marin S.; Ellenbogen, James C. (March 2006). Supercapacitors: A Brief Overview (PDF) (Technical report). MITRE Nanosystems Group. Archived from the original (PDF) on 2014-02-01. Retrieved 2014-01-20.
↑ Frackowiak, Elzbieta; Beguin, Francois (2001). "Carbon Materials For The Electrochemical Storage Of Energy In Capacitors" (PDF). Carbon. 39 (6): 937–950. doi:10.1016/S0008-6223(00)00183-4.^{^{[پیوند مرده]}}
↑ "Nanotubular Materials For Supercapacitors", Journal of Power Sources, 97–98: 822–825, July 2001, Bibcode:2001JPS....97..822F, doi:10.1016/S0378-7753(01)00736-4
↑ Garthwaite, Josie (2011-07-12). "How ultracapacitors work (and why they fall short)". Earth2Tech. GigaOM Network. Archived from the original on 2012-11-22. Retrieved 2013-04-23.
↑ "Ordered mesoporous α-MoO3 with iso-oriented nanocrystalline walls for thin-film pseudocapacitors". Nature Materials (به انگلیسی). 9 (2): 146–151. 2010-02-01. doi:10.1038/nmat2612. ISSN 1476-1122. PMID 20062048.
↑ "Synthesis and Electrochemical Characterization of Vanadium Oxide on Carbon Nanotube Film Substrate for Pseudocapacitor Applications". Journal of the Electrochemical Society (به انگلیسی). 153 (6): A989–A996. 2006-06-01. doi:10.1149/1.2188307. ISSN 0013-4651.
↑ "Conducting Polymers for Pseudocapacitive Energy Storage". Chemistry of Materials. 28 (17): 5989–5998. 2016-09-13. doi:10.1021/acs.chemmater.6b01762. ISSN 0897-4756.

[conway1-1] Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications (به آلمانی), Berlin, Germany: Springer, 1999, pp. 1-8, ISBN 978-0-306-45736-4

[conway2-2] "ELECTROCHEMICAL CAPACITORS Their Nature, Function, and Applications", Electrochemistry Encyclopedia, archived from the original on 2012-04-30

[Halper2-3] Halper, Marin S.; Ellenbogen, James C. (March 2006). Supercapacitors: A Brief Overview (PDF) (Technical report). MITRE Nanosystems Group. Archived from the original (PDF) on 2014-02-01. Retrieved 2014-01-20.

[Frackowiak_12-4] Frackowiak, Elzbieta; Beguin, Francois (2001). "Carbon Materials For The Electrochemical Storage Of Energy In Capacitors" (PDF). Carbon. 39 (6): 937–950. doi:10.1016/S0008-6223(00)00183-4.^{^{[پیوند مرده]}}

[Frackowiak_2-5] "Nanotubular Materials For Supercapacitors", Journal of Power Sources, 97–98: 822–825, July 2001, Bibcode:2001JPS....97..822F, doi:10.1016/S0378-7753(01)00736-4

[Garthwaite-6] Garthwaite, Josie (2011-07-12). "How ultracapacitors work (and why they fall short)". Earth2Tech. GigaOM Network. Archived from the original on 2012-11-22. Retrieved 2013-04-23.

[7] "Ordered mesoporous α-MoO3 with iso-oriented nanocrystalline walls for thin-film pseudocapacitors". Nature Materials (به انگلیسی). 9 (2): 146–151. 2010-02-01. doi:10.1038/nmat2612. ISSN 1476-1122. PMID 20062048.

[8] "Synthesis and Electrochemical Characterization of Vanadium Oxide on Carbon Nanotube Film Substrate for Pseudocapacitor Applications". Journal of the Electrochemical Society (به انگلیسی). 153 (6): A989–A996. 2006-06-01. doi:10.1149/1.2188307. ISSN 0013-4651.

[9] "Conducting Polymers for Pseudocapacitive Energy Storage". Chemistry of Materials. 28 (17): 5989–5998. 2016-09-13. doi:10.1021/acs.chemmater.6b01762. ISSN 0897-4756.

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]

[۹]