تولید ابرخازن‌هایی در ذخیره‌سازی انرژی با استفاده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری – سرامیکی

به گزارش مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت)؛ پژوهشگران دانشگاه قم با همکاری محققین دانشگاه‌های پیام نور کرمان و شهید بهشتی در تحقیقات آزمایشگاهی خود با سنتز نانوذرات سرامیکی موفق به ساخت نانوکامپوزیت‌های پلیمری – سرامیکی شده‌اند. این نانوکامپوزیت‌ها، در تولید ابرخازن‌ها کاربرد دارد. ابرخازن‌های تولیدشده دارای ظرفیت ذخیره‌ی انرژی بالا، قیمت تمام‌شده‌ی کمتر و قابلیت تولید ساده‌تر هستند.
رشد روزافزون فناوری‌های نوین و صنعتی شدن زندگی مردم لزوم استفاده از سیستم‌های ذخیره‌ی انرژی با ظرفیت بالاتر، وزن سبک‌تر و قیمت مناسب را ضروری ساخته است، به‌گونه‌ای که امکان استفاده از تجهیزات الکترونیکی در هر مکان و زمان میسر شود. ازاین‌رو، طراحی ابرخازن‌هایی با ویژگی‌های مذکور از اهمیت بالایی برخوردار است. امروزه تحقیقات گسترده‌ای به‌منظور تولید ترکیباتی جدید جهت جایگزینی با مواد گران‌قیمتی همچون روتینیم اکسید به‌عنوان ابرخازن رایج در سرتاسر جهان صورت گرفته است.
به گفته‌ی دکتر علی احسانی، در این کار تحقیقاتی سعی شده است با ساخت مقرون‌به‌صرفه‌ی نانوذرات سرامیکی، نانوکامپوزیت‌هایی پلیمری – سرامیکی مناسب جهت استفاده در ابرخازن‌هایی با کارایی بهتر تهیه گردد.
وی در خصوص اهمیت اجرای این طرح گفت: « تولید نانوذرات پایدار سرامیکی با درجه خلوص بالا و با روش‌های نوین و اقتصادی به دلیل کاربردهای ویژه در ساخت لیزرهای جامد و تولید نانوکامپوزیت‌های پلیمری – سرامیکی مورد استفاده در ابرخازن‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.»
محقق این طرح در ادامه با بیان دستاوردهای اجرای این طرح خاطرنشان کرد:« با سنتز نانوذرات پودر ایتریم آلومینیوم گارنت خالص به روش الکتروشیمیایی به‌عنوان یک ماده‌ی سرامیکی پیشرفته‌ی دوستدار محیط‌زیست، ساخت این ابرخازن‌ها به روشی ساده و کم‌هزینه صورت گرفته است. افزایش پایداری مکانیکی و ظرفیت ذخیره‌ی انرژی، وزن کم و انعطاف‌پذیری بالای ابرخازن‌های تولید شده از دیگر مزیت‌های استفاده از نانوذرات در طراحی آن‌هاست.»
لازم به ذکر است مزیت مهم روش الکتروشیمیایی به کار رفته، استفاده از شرایط دما و فشار معمولی است که سنتز نانوکامپوزیت را در مقیاس‌های صنعتی مقرون‌به‌صرفه می‌سازد. همچنین سنتز الکتروشیمیایی برخلاف سنتز شیمیایی به علت عدم استفاده از واکنشگرهای شیمیایی در فرایند اکسایش بر طبق استانداردهای جهانی، روشی سبز است. کاربرد این نانوکامپوزیت با توجه به بحران انرژی، در راستای گسترش استفاده از سیستم‌های انرژی غیر فسیلی و پاک می‌تواند بسیار مهم باشد.
احسانی با اشاره به نحوه‌ی ساخت و عملکرد ویژه‌ی نانوذرات در طراحی ابرخازن‌های مذکور افزود: « ابتدا نانوذرات ایتریم آلومینیوم گارنت به روش پالس الکتروشیمیایی در دما و فشار معمولی سنتز گردید و در مرحله‌ی بعد نانوذرات سرامیکی سنتز شده به کمک امواج التراسونیک در محلول پیرول پخش شد. سپس با روش ساده الکتروشیمیایی، پلیمر دارای نانوذرات سرامیکی به‌صورت فیلم نازک در سطح الکترود کار تشکیل می‌گردد. به دلیل نسبت سطح به حجم بالای نانوذرات و پخش یکنواخت آن‌ها بر تمامی سطح فیلم، فیلم تشکیل شده بر سطح الکترود هم‌سطح فعال بالایی دارد و به هم علت شرکت در فرایند اکسایش-احیا از دو طریق فارادیک و غیر فارادیک بار را ذخیره می‌کند. همچنین پخش نانوساختارهای اکسید فلزی در بستر پلیمر، اتصالات فیلم را افزایش داده و استحکام مکانیکی قابل‌ملاحظه ای درطی چرخه‌های شارژ و تخلیه‌ی متوالی ایجاد می‌کند. آزمون‌های الکتروشیمیایی از قبیل ولتامتری چرخه‌ای، شارژ – تخلیه‌ی متوالی، امپدانس الکتروشیمیایی و آزمون پایداری، قابلیت بالای نانوکامپوزیت تولیدی در استفاده به‌عنوان ابرخازن در سیستم‌های ذخیره کننده‌ی انرژی را تأیید می‌کند.»
دکتر علی احسانی – .عضو هیأت علمی دانشگاه قم- حمید محمد شیری – عضو هیأت علمی دانشگاه پیام نور کرمان- و دکتر جواد شعبانی – پژوهشگر مرکز تحقیقات پروتئین دانشگاه شهید بهشتی- در انجام این طرح همکاری داشته‌اند. نتایج این کار در مجله RSC Advances(جلد 5، سال 2015، صفحات 91062 تا 91068) به چاپ رسیده است.