Kondensatoren sind in erster Linie Ladungsspeicher, verfügen aber im Vergleich zu Batterien über eine deutlich geringere Kapazität zur Ladungsspeicherung. Ihre Lebensdauer ist jedoch viel höher als die der Batterien. Das Grundprinzip der Funktionsweise von Kondensatoren ist dasselbe, obwohl sie aufgrund ihres inneren Aufbaus in verschiedene Kategorien eingeteilt werden. Der Graphen-Kondensator ist eine Art Superkondensator mit Schichten aus Graphen, die eine viel freiere Bewegung der Elektronen ermöglichen und eine effektive Wärmeableitung ermöglichen.
Gliederung:
- Was sind Superkondensatoren?
- Funktionsweise von Superkondensatoren
- Graphen-Superkondensator
- Graphenbasierte Elektroden in Superkondensatoren
- Leistung von Superkondensatoren auf Graphenbasis
- Abschluss
Was sind Superkondensatoren?
Um den Graphen-Kondensator zu verstehen, ist es notwendig, Kenntnisse über die Superkondensatoren zu haben, da Graphen-Kondensatoren ebenfalls in die Kategorie der Superkondensatoren fallen. Im Gegensatz zu den allgemeinen Kondensatoren haben die Supper-Kondensatoren einen anderen inneren Aufbau, der sich auch auf ihre Eigenschaften auswirkt. Der Superkondensator verfügt über Elektrolyte, die durch ein Isoliermedium getrennt sind, und über Aktivkohleelektroden, die mit dem Elektrolyten in Kontakt stehen. Der Elektrolyt besteht hauptsächlich aus Schwefelsäure oder Kaliumoxid und der Separator besteht normalerweise aus Kapton:
Funktionsweise von Superkondensatoren
Wenn ein Superkondensator an keine Stromquelle angeschlossen ist, werden die Ladungen unabhängig von ihrer Polarität über den Elektrolyten verteilt. Wenn die Stromquelle darüber angeschlossen ist, beginnt der Strom vom Kondensator zu fließen, und wenn die Anode vollständig die positive Ladung erhält Die negativen Ionen im Elektrolyten neigen dazu, sich in Richtung der Anodenelektrode zu bewegen. Während die Kathode negativ geladen wird und alle positiven Ionen sich zur Kathode bewegen:
Diese Anziehungskraft zwischen Elektrode und Elektrolyt ist die elektrostatische Kraft und diese Anziehung von Ionen zu den Elektroden führt zur Bildung der elektrischen Doppelschicht. Diese Schicht ist für die Speicherung von Ladungen verantwortlich und aufgrund der Bildung dieser Schicht werden Superkondensatoren auch als elektrische Doppelschichtkondensatoren bezeichnet.
Auf diese Weise wird der Superkondensator geladen, und wenn eine Last an die Anschlüsse des Superkondensators angeschlossen wird, beginnt die Ladung an den Elektroden von der Last abzufließen. Auf diese Weise beginnen beide Elektroden Ladung zu verlieren, da sie nicht in der Lage sind, die Ladungen anzuziehen. Wenn alle Ladungen die Elektroden verlassen, wird der Kondensator entladen.
Nun werden die Ionen wieder über die Elektrolyte verteilt, und so funktioniert ein einfacher Superkondensator.
Graphen-Superkondensator
Graphen stammt aus Graphit, der sich meist im Inneren von Bleistiften befindet und eine Elektrode aus Kohlenstoff mit der gleichen Anzahl an Atomen ist, diese jedoch unterschiedlich angeordnet sind. Im Gegensatz zu Graphit besteht Graphen aus einer zweidimensionalen Einzelatomschicht, die in einer sechseckigen Wabenform angeordnet ist. Diese Struktur ermöglicht es den Atomen, starke kovalente Bindungen zu bilden, was ihr eine höhere Zugfestigkeit und hohe Flexibilität verleiht. Aufgrund dieser Eigenschaften ermöglicht Graphen eine freie Bewegung der Elektronen und eine höhere elektrische Leitfähigkeit.
Da die Superkondensatoren kürzere Abstände zwischen den Platten haben und dadurch mehr statische Ladung speichern können, hat das Graphen im Vergleich zur Aluminiumschicht eine sehr dünne Schicht, die die Größe eines Atoms hat. Dadurch verfügt der Graphen-Kondensator über eine wesentlich größere Oberfläche, wodurch er im Vergleich zu anderen Superkondensatoren mehr Energie speichern kann.
Graphenbasierte Elektroden in Superkondensatoren
Das oben erwähnte Graphen bietet eine größere Oberfläche, was die Kapazität des Kondensators zur Ladungsspeicherung erhöht. Für die Herstellung von Elektroden aus Graphen werden verschiedene Techniken verwendet. Zwei davon sind:
Herstellung aus Graphenschaum
Die aus dem Graphenschaum hergestellte Graphenelektrode bietet eine höhere Leitfähigkeit sowie leichte und flexible Elektroden, deren Fläche auf bis zu mehrere cm ausgedehnt werden kann 2 und die Höhe bis zu mehreren Millimetern. Der Graphenschaum wird durch die chemische Gasphasenabscheidungstechnik erzeugt, indem er auf einem Nickel- oder Kupferschaum aufgewachsen wird. Wenn ein Graphenschaum auf Kupferschaum erzeugt wird, entsteht eine hochwertige Graphenschicht, die Struktur kann jedoch leicht zusammenbrechen, wenn der Metallträger entfernt wird. Stattdessen kann jedoch auch ein Nickelschaum verwendet werden, um eine mehrschichtige Graphenschicht zu erzeugen, die vorsichtig und ohne Beschädigung vom Metallträger abgezogen werden kann. Darüber hinaus kann durch diese chemische Synthese auch reduziertes Graphenoxid durch Nickelschaum gebildet werden. Bei Graphen werden einige Zusatzstoffe verwendet, die dazu beitragen, eine hohe Leistungsdichte zu erreichen und kürzere Wege für die Elektronen und Ionen bereitzustellen, wodurch die Ladungsgeschwindigkeit erhöht wird. Bei diesen Zusätzen kann es sich um Metalloxide, leitfähige Polymere und Metallhydroxide handeln, die die Herstellung graphenbasierter Elektroden kostengünstiger machen.
Das obige Bild veranschaulicht den Prozess der Bildung der Graphenschicht mithilfe der chemischen Gasphasenabscheidungsmethode.
Herstellung durch Laserschreiben
Die Laserschreibmethode ist vergleichsweise kostengünstiger und erzeugt poröses 3D-Graphen in einem einzigen Schritt, indem die Technik der großflächigen Reduzierung reduziert wird. Bei dieser Methode wird zunächst eine dünne Graphenschicht auf die Schablone aufgetragen und anschließend bestrahlt der kommerzielle Laser die Graphenoxidschicht. Wenn Laserlicht auf das Graphenoxid trifft, entsteht im Belichtungsbereich poröses leitfähiges Material.
Dadurch wird die Oberfläche für die Elektrolytionen vergrößert und der Sauerstoffgehalt deutlich reduziert. Wie bei der vorherigen Methode können beim direkten Laserschreiben einige Zusatzstoffe verwendet werden, d. h. das Substrat kann eine Mischung aus Graphenoxid und Polymer sein oder das Substrat kann auch nur aus Polymer bestehen. Hier ist ein Bild, das den Prozess des direkten Laserschreibens veranschaulicht:
Leistung von Superkondensatoren auf Graphenbasis
Die Graphen-Kondensatoren verfügen über einen effektiven Elektronen- und Ionentransfer, was zu einer hohen gravimetrischen und volumetrischen Kapazität führt. Darüber hinaus weisen sie eine höhere Zyklenstabilität und eine höhere Energiebelastbarkeit auf.
Um die Leistung und das Verhalten verschiedener Energiespeichergeräte zu untersuchen, wird ein Ragone-Diagramm verwendet, bei dem der Wert der spezifischen Energie (Wh/Kg) gegen die spezifische Leistung (W/Kg) aufgetragen wird. Das Diagramm verwendet eine logarithmische Skala für beide Achsen. Die y-Achse misst die spezifische Energie, also die Energiemenge pro Masseneinheit. Die x-Achse misst die Leistungsdichte, also die Energieabgaberate pro Masseneinheit.
Ein Punkt im Ragone-Diagramm gibt somit mit anderen Worten die Zeitspanne an, während der die Energie (pro Masseneinheit) auf der y-Achse in der Leistung (pro Masseneinheit) auf der x-Achse abgegeben werden kann, und diese Zeit ( in einer Stunde) wird als Verhältnis zwischen der Energie- und der Leistungsdichte angegeben. Anschließend sind die Isokurven (konstante Lieferzeit) in einem Ragone-Diagramm gerade Linien mit einer Steigung von eins. Das folgende Ragone-Diagramm zeigt die spezifische Energie (Wh/kg) im Vergleich zur spezifischen Leistung (W/kg) für verschiedene Energiespeichergeräte:
Abschluss
Der Graphen-Kondensator ist eine Art Superkondensator mit Elektroden aus Graphen, das aus Graphit gewonnen wird. Graphen bietet dem Elektrolyten eine große Oberfläche, was zu einer Erhöhung der Kapazität führt und auch eine kurze Ladezeit mit sich bringt. Darüber hinaus gibt es verschiedene Techniken zur Herstellung von Graphenelektroden, zwei davon sind: Graphenschaum und direktes Laserschreiben.