به همت پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس انجام شد؛
توسعه الکترود نانویی جدید برای افزایش توان و طول عمر ذخیرهسازهای انرژی
پژوهشگران دانشگاه تربیت مدرس و دانشگاه امام حسین موفق به طراحی و ساخت نوعی ماده نانوساختار پیشرفته برای استفاده در سامانههای هیبریدی باتری ـ ابرخازن شدهاند؛ سامانهای که میتواند همزمان توان بالا، شارژ سریع و پایداری طولانیمدت را فراهم کند.
در این پژوهش، محققان با رشد همزمان دیسولفید تنگستن ـ مولیبدن روی نانولولههای کربنی چنددیواره اصلاحشده با سلنیوم، الکترودی سهبعدی با عملکرد الکتروشیمیایی چشمگیر تولید کردهاند. این ساختار نانویی توانسته ظرفیت ویژه بالا، پایداری چرخهای مناسب و چگالی انرژی قابل توجهی ایجاد کند؛ ویژگیهایی که برای توسعه تجهیزات ذخیرهسازی انرژی نسل آینده اهمیت بالایی دارند.
بشر حالا به مرحلهای رسیده که حتی باتری هم دیگر کافی نیست؛ باید چیزی بسازد که هم باتری باشد، هم ابرخازن، هم سریع شارژ شود، هم عمر طولانی داشته باشد. طبیعت احتمالاً از گوشهای نشسته و به این حجم از توقعات خیره شده است.
با گسترش استفاده از خودروهای برقی، تجهیزات الکترونیکی قابل حمل و سامانههای انرژی تجدیدپذیر، نیاز به ابزارهای ذخیرهسازی انرژی با عملکرد بهتر بیش از گذشته احساس میشود. باتریها اگرچه ظرفیت ذخیره انرژی بالایی دارند، اما معمولاً سرعت شارژ و تخلیه محدودی دارند.
در مقابل، ابرخازنها میتوانند انرژی را با سرعت بسیار بالا دریافت و آزاد کنند، اما ظرفیت ذخیرهسازی آنها نسبت به باتریها کمتر است. همین مسئله باعث شده پژوهشگران در سالهای اخیر به سمت توسعه سامانههای هیبریدی باتری ـ ابرخازن حرکت کنند؛ سامانههایی که تلاش میکنند مزیتهای هر دو فناوری را در یک ساختار واحد ترکیب کنند. انسانها اساساً هیچوقت از یک وسیله راضی نمیشوند. اگر چیزی سریع باشد، میخواهند ماندگار هم باشد. اگر ماندگار باشد، میخواهند سبکتر و ارزانتر هم بشود.
در همین راستا، پژوهشگران محققان دانشگاه تربیت مدرس و دانشگاه امام حسین با همکاری یکدیگر موفق به توسعه یک ماده نانوساختار جدید برای استفاده در سامانههای هیبریدی ذخیرهسازی انرژی شدهاند. این ماده که با نام WMo-S۲@Se-ACNTs معرفی شده، به عنوان کاتد در یک سامانه شبهجامد باتری ـ ابرخازن مورد استفاده قرار گرفته و نتایج قابل توجهی از خود نشان داده است.
پایه اصلی این فناوری بر استفاده از نانولولههای کربنی چنددیواره یا MWCNTها استوار است؛ ساختارهایی در ابعاد نانو که به دلیل رسانایی الکتریکی بالا، استحکام مکانیکی مناسب و سطح ویژه زیاد، کاربرد گستردهای در فناوریهای نوین انرژی دارند. در این پژوهش، نانولولههای کربنی ابتدا تحت فرآیند اصلاح شیمیایی قرار گرفتند و سپس با عنصر سلنیوم دوپ شدند تا ویژگیهای الکتریکی و واکنشپذیری آنها بهبود پیدا کند.
پژوهشگران موفق شدند ترکیبات دیسولفید مولیبدن و دیسولفید تنگستن را به صورت همزمان روی نانولولههای کربنی اصلاحشده رشد دهند. این همرشد یا co-growth باعث ایجاد یک شبکه سهبعدی نانوساختار شده که سطح تماس گستردهای برای انتقال یونها و واکنشهای الکتروشیمیایی فراهم میکند.
به گفته پژوهشگران، همافزایی میان یونهای فلزات واسطه در این ساختار نقش مهمی در افزایش عملکرد الکتروشیمیایی داشته است. ترکیب همزمان تنگستن و مولیبدن در کنار نانولولههای کربنی سلنیومدار، موجب بهبود ظرفیت ذخیرهسازی، افزایش سرعت انتقال بار و پایداری بیشتر الکترود شده است.
آزمایشها نشان دادهاند این الکترود دارای مقاومت اهمی پایین و ظرفیت ویژه بسیار بالایی است. ظرفیت ویژه ثبتشده برای این ماده حدود ۸۰۰ فاراد بر گرم در چگالی جریان ۲ آمپر بر گرم گزارش شده که عدد قابل توجهی در حوزه ذخیرهسازهای انرژی محسوب میشود. همچنین بررسی رفتار الکتروشیمیایی نشان داده حدود ۵۳ درصد عملکرد ذخیره انرژی در این ساختار ناشی از شبهخازنبودن ماده و ۴۷ درصد مربوط به ظرفیت دولایه الکتریکی است.
شبهخازنها نوعی سازوکار ذخیره انرژی هستند که علاوه بر ذخیره بار روی سطح، از واکنشهای سریع شیمیایی نیز استفاده میکنند و به همین دلیل میتوانند عملکرد بهتری نسبت به ابرخازنهای معمولی داشته باشند. این ویژگی سبب شده ماده توسعهیافته در این پروژه، نرخ عملکرد بالایی از خود نشان دهد و بتواند در زمان کوتاه، انرژی زیادی ذخیره یا آزاد کند.
پژوهشگران برای ساخت سامانه نهایی، از این ماده به عنوان کاتد استفاده کردند و در سمت آند نیز از اکسید گرافن کاهشیافته به همراه نانولولههای کربنی اصلاحشده بهره گرفتند. همچنین یک ژل شبهجامد مبتنی بر پلیوینیل الکل و اسید سولفوریک به عنوان الکترولیت و جداکننده در سامانه به کار گرفته شد.
استفاده از الکترولیتهای شبهجامد یکی از روندهای مهم در توسعه ذخیرهسازهای انرژی جدید به شمار میرود، زیرا این مواد نسبت به الکترولیتهای مایع ایمنی بالاتری دارند و خطر نشت یا اشتعال آنها کمتر است. چنین ویژگیهایی برای کاربرد در تجهیزات الکترونیکی قابل حمل و خودروهای برقی اهمیت زیادی دارد.
نتایج آزمایشها نشان داد سامانه ساختهشده دارای ولتاژ کاری ۲ ولت و پایداری چرخهای مطلوبی است. این سامانه توانسته پس از ۶۰۰۰ چرخه شارژ و تخلیه، حدود ۹۱ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کند؛ ویژگیای که نشاندهنده دوام مناسب ساختار طراحیشده است.
همچنین چگالی انرژی این سامانه به ۱۳۴ واتساعت بر کیلوگرم و در برخی شرایط به ۳۸۰ واتساعت بر کیلوگرم رسیده است. این اعداد نشان میدهد سامانه هیبریدی توسعهیافته توانسته میان توان بالا و ذخیره انرژی مناسب تعادل قابل قبولی ایجاد کند؛ مسئلهای که همواره یکی از چالشهای اصلی در طراحی ذخیرهسازهای انرژی بوده است.
پژوهشگران معتقدند روش نسبتاً ساده و کمهزینه ساخت این الکترود در کنار عملکرد الکتروشیمیایی بالا، میتواند مسیر را برای استفاده عملی از این فناوری در آینده هموار کند. به گفته آنها، این سامانه پتانسیل بالایی برای کاربرد در تجهیزات ذخیره انرژی نسل آینده دارد؛ تجهیزاتی که باید هم سبک باشند، هم سریع شارژ شوند، هم هزاران بار دوام بیاورند و هم جهان را کمتر آلوده کنند. تمدن مدرن عملاً مسابقهای بیپایان میان مصرف بیشتر انرژی و تلاش برای ذخیره هوشمندانهتر آن شده است، و فعلاً فناوری نانو یکی از معدود ابزارهایی است که میتواند این مسابقه را کمی قابل کنترلتر کند.
نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان Rational co-growth of molybdenum tungsten disulphide on Se-modified MWCNTs as cathode material for battery-supercapacitor hybrids در نشریه Chemical Engineering Journalبه چاپ رسیده است.