コンデンサは主に電荷蓄積デバイスですが、バッテリーと比較すると、電荷を蓄積する容量がかなり少なくなっています。ただし、その寿命は電池よりもはるかに長く、内部構造に基づいて異なるカテゴリに分類されているにもかかわらず、コンデンサの動作の基本原理は同じです。グラフェン キャパシタは、電子のより自由な移動を可能にし、効果的な方法で熱放散を可能にするグラフェンの層を備えたスーパーキャパシタの一種です。
概要：
スーパーキャパシタとは何ですか?
グラフェンコンデンサもスーパーコンデンサに分類されるため、グラフェンコンデンサを理解するにはスーパーコンデンサについての知識が必要です。一般的なコンデンサとは異なり、スーパーコンデンサは内部構造が異なり、それも特性に影響を与えます。スーパーキャパシタには、絶縁媒体によって分離された電解質があり、電解質と接触する活性炭電極があります。電解液は主に硫酸または酸化カリウムで、セパレータは通常カプトンです。
スーパーキャパシタの働き
スーパーキャパシタが電源に接続されていない場合、極性に関係なく電荷は電解質全体に散乱します。電源がスーパーキャパシタの両端に接続されると、キャパシタから電流が流れ始め、アノードが正電荷を受け取ると、すべての電解液が正電荷になります。電解液中のマイナスイオンはアノード電極に向かって移動する傾向があります。一方、陰極は負に帯電し、すべての陽イオンは陰極に向かって移動します。
電極と電解質の間のこの引力が静電気力であり、この電極へのイオンの引力により電気二重層が形成されます。この層は電荷を蓄積する役割を果たしており、この層の形成によりスーパーキャパシタは電気二重層キャパシタとも呼ばれます。
これがスーパーキャパシタの充電方法であり、スーパーキャパシタの端子間に負荷が接続されると、電極上の電荷が負荷から流れ始めます。このようにして、両方の電極は電荷を引き付けることができないため電荷を失い始め、その結果、すべての電荷が電極から離れるとコンデンサが放電されます。
したがって、イオンは再び電解質全体に散乱され、これが単純なスーパーキャパシタの仕組みです。
グラフェンスーパーキャパシタ
グラフェンは、主に鉛筆の内部にある黒鉛に由来し、同じ数の原子を持つ炭素の電極ですが、それらの配置は異なります。グラファイトとは異なり、グラフェンは六角形のハニカム形状に配置された二次元の単一原子層を持っています。この構造により、原子が強力な共有結合を形成できるため、より高い引張強度と高い柔軟性が得られます。これらの特性により、グラフェンは電子の自由な移動を可能にし、より高い電気伝導率を実現します。
スーパーキャパシタはプレート間の距離が短く、より多くの静電荷を蓄えることができるため、グラフェンの層はアルミニウム層と比較して原子サイズの非常に薄い層になります。したがって、グラフェンキャパシタは実質的により大きな表面積を有し、他のスーパーキャパシタと比較してより多くのエネルギーを蓄えることができる。
スーパーキャパシタのグラフェンベースの電極
上述したように、グラフェンはより大きな表面積を提供し、電荷を蓄積するためのコンデンサの容量を高めます。グラフェンを使用した電極の製造にはさまざまな技術が使用されており、そのうちの 2 つは次のとおりです。
グラフェンフォームによる製造
グラフェン発泡体を使用して作成されたグラフェン電極は、導電性が高く、軽量かつ柔軟な電極を提供し、面積を最大数cmまで拡張できます。 2 そして高さは数ミリにもなります。グラフェン発泡体は、化学蒸着技術によってニッケルまたは銅の発泡体上に成長させて作成されます。グラフェン発泡体を銅発泡体上に作成すると、高品質のグラフェン層が生成されますが、金属支持体を除去すると構造が簡単に崩壊する可能性があります。ただし、代わりにニッケルフォームを使用して多層グラフェン層を作成することができ、損傷することなく金属支持体から慎重に引き抜くことができます。さらに、この化学合成を使用して、ニッケル発泡体を通じて還元酸化グラフェンを形成することもできます。一部の添加剤はグラフェンとともに使用されており、これにより高出力密度の達成に役立ち、電子とイオンの経路が短くなり、充電速度が向上します。これらの添加剤としては、金属酸化物、導電性ポリマー、金属水酸化物などが挙げられ、グラフェンベースの電極の製造コストが低くなります。
上の画像は、化学気相成長法を使用してグラフェン層を形成するプロセスを示しています。
レーザー書き込みによる作製
レーザー書き込み方法は比較的低コストであり、大面積縮小技術を削減することで 3D 多孔質グラフェンを 1 ステップで製造します。この方法では、最初にグラフェンの薄層がテンプレート上に堆積され、次に市販のレーザーが酸化グラフェン層を照射します。レーザー光が酸化グラフェンに入射すると、露光領域に多孔質の導電性材料が生成されます。
その結果、電解質イオンの表面積が増加し、酸素含有量が大幅に減少します。前の方法と同様に、直接レーザー書き込みではいくつかの添加剤を使用できます。つまり、基材は酸化グラフェンとポリマーの混合物、または基材がポリマーのみの場合もあります。以下は、レーザーによる直接書き込みのプロセスを示す画像です。
グラフェンベースのスーパーキャパシタの性能
グラフェン コンデンサは電子とイオンを効果的に移動させるため、高い重量容量と体積容量が得られます。さらに、より高いサイクル速度の安定性とより高いエネルギー能力を示します。
さまざまなエネルギー貯蔵デバイスの性能と動作を研究するには、比エネルギー (Wh/Kg) の値を比電力 (W/Kg) に対してプロットするラゴーン プロットが使用されます。グラフでは両軸に対数スケールが使用されます。 y 軸は、単位質量あたりのエネルギー量である比エネルギーを測定します。 X 軸は、単位質量あたりのエネルギー供給率である出力密度を測定します。
つまり、ラゴーヌ プロットの点は、y 軸のエネルギー (単位質量あたり) が x 軸のパワー (単位質量あたり) に変換される時間を示し、その時間 ( 1 時間あたり）は、エネルギーとパワー密度の比として与えられます。その後、ラゴーヌ プロットの等曲線 (一定の配信時間) は、傾きが 1 の直線になります。以下のラゴーン プロットは、さまざまなエネルギー貯蔵デバイスの比エネルギー (Wh/Kg) と比電力 (W/Kg) を示しています。
結論
グラフェン キャパシタは、黒鉛から得られるグラフェンで作られた電極を備えたスーパーキャパシタの一種です。グラフェンは電解質に大きな表面積を提供するため、静電容量が増加し、充電時間も短くなります。さらに、グラフェン電極を作成するにはさまざまな技術があり、そのうちの 2 つは、グラフェン フォームと直接レーザー書き込みです。