22664

بررسي و ساخت ابرخازن ھاي بر پايه مواد كربني با كارائي بالا به عنوان ذخيره كننده انرژي

كارشناسي ارشد

افزاره‌هاي ميكرو و نانوالكترونيك

1399

1399/3/26

دكتر جواد ياوند حسني

دكتر زينب سنايي

برق

در سال هاي اخير استفاده از سيستم هاي ذخيره ي انرژي مانند انواع باتري ها، پيل هاي سوخت ، خازن هاي الكتروشيميايي در كاربردهايي از قبيل سيستم هاي حمل و نقل و سيستم هاي قابل حمل گسترش يافته است.با توجه به نياز و تقاضاي روز افزون بشر براي استفاده از انرژي، استفاده از ادوات با چگالي انرژي و توان بيشتر، هزينه هاي توليد كمتر و طول عمر بالاتر امري ضروري است. خازن هاي الكتروشيميايي كه يكي از انواع ادوات ذخيره كننده ي انرژي الكتروشيميايي محسوب مي شوند، نسبت به خازن هاي معمول داراي ظرفيت ذخيره ي انرژي بالاتر و نسبت به باتري ها، از چگالي توان بالاتري برخوردار هستند. اين خازن ها با ويژگيهاي منحصر به فردي مانند سرعت بالاي شارژ و دشارژ، تعداد چرخه هاي شارژ و دشارژ بيشتر و نيز دماي كاري گسترده، در كاربردهايي مثل خودروهاي الكتريكي و هيبريدي، وسايل حمل ونقل هوايي، صنعت الكترونيكي و نيز در شبكه هاي هوشمند به كار گرفته مي شوند. در اين پايان نامه با استفاده از روش هاي شيميايي و نيز لايه نشان بخار فيزيكي(PECVD) انواع الكترودهاي بر پايه ي مواد كربني از قبيل نانو لوله هاي كربن و صفحات گرافن بر روي بسترهاي استيل تهيه شده است.جهت تهيه ي الكترود گرافن، در ابتدا گرافن اكسايد به روش اصلاح شده ي هامرز تهيه شد. محلول گرافن اكسايد به روش حرارت به گرافن تبديل گرديد. به منظور اطمينان از دستيابي به صفحات گرافن طيف رامان از ماده ي حاصله گرفته شد؛ وجود دو باندD در 1−cm1312 و باندG در 1−cm1584 كه به ترتيب به نقص و پراش مرتبه اول مدE2g ورق هاي گرافن مربوط است، دستيابي به اين ماده را اثبات نمود. الكترودهاي گرافن به روش دوغابي بر روي جمع كننده جريان استيل تهيه شدند. براي تهيه ي الكترود از جنس نانولوله هاي كربن از دو روش استفاده شد. در روش اول الكترودهاي بر پايه نانولوله هاي كربن به روش دوغابي بر روي جمع كننده جريان استيل تهيه شد. در روش دوم از روش لايه نشان بخار فيزيكي براي رشد نانولوله هاي كربن بر روي بستر استيل استفاده شد و پارامترهاي موثر در رشد نانولوله ها بهينه گرديدند. نانولوله هاي رشد داده شده با استفاده از تكنيك هايXRD رامان و تصاويرSEM مورد شناسايي قرار گرفتند و رشد وخلوص آنها اثبات گرديد. در ادامه، آزمايش هاي الكتروشيميايي شامل ولتامتري چرخه اي و تست هاي شارژو دشارژ گالوانواستاتيكي بر روي الكترودهاي ساخته شده از صفحات گرافن و نانولوله هاي كربن انجام شد.نتايج آزمايش هاي الكتروشيميايي نشان داد كه الكترود ساخته شده از رشد نانولوله هاي كربن بر روي بستر استيل داراي ظرفيتmF/g 16000 بود در حالي كه ظرفيت الكترود ساخته شده از گرافنmF/g 330 و براي الكترود ساخته شده از نانولوله هاي كربن به روش دوغابيmF/g 250 است. در نهايت، ولتاموگرام هاي مستطيل شكل بدست آمده از ولتامتري چرخه اي در سرعت هاي روبش مختلف براي الكترود ساخته شده ازرشد فيزيكي نانولوله هاي كربن بر روي بستر استيل نشان دادند كه رفتار خازني اين الكترود ايده آل بوده و موادالكتروفعال در روي سطح الكترود پايدار هستند.

1399/06/30

Investigating and Fabrication of Carbon-based Supercapacitors as a High-Performance Energy Storage

6/15/2020 12:00:00 AM

In recent years, the utilization of energy storage systems such as batteries, fuel cells, and electrochemical capacitors has attracted a great deal of interest in applications such as transportation systems and portable systems. Regarding the growing human need and demand for energy, the improvement of energy storages with high energy density, and more power, reduced production costs, and increase the lifespan of these devices is mandatory. Electrochemical supercapacitors, as one of the types of electrochemical energy storage systems, have a higher energy storage capacity compared to conventional capacitors and a higher power density than batteries. These capacitors with unique features such as high charge/ discharge rate, more charge/discharge cycles, and a wide operating temperature have been utilized in some applications such as electric and hybrid vehicles, air transport, and electronics industry, as well as in smart grids. In the current research, using chemical methods as well as the plasma enhanced physical vapor deposition (PECVD), various types of electrodes were fabricated by carbon-based materials such as carbon nanotubes and graphene sheets on steel substrates have been prepared. To prepare the graphene-based electrode, graphene oxide was first prepared by the modified Hammers method. The graphene oxide solution was thermally converted to graphene. The synthesized graphene oxide was characterized by scanning electron microscopy (SEM), Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD) techniques The presence of two D band in 1312 cm-1 and G band in 1584 cm-1 in Raman spectrum, are related to the first-order defect and diffraction of the E2g mode of graphene sheets, respectively and confirmed the synthesis of graphene oxide sheets. Graphene electrodes were prepared by the slurry method on the steel substrate. Two methods were used to fabricate carbon nanotube electrodes. In the first method, electrodes based on carbon nanotubes were prepared by the slurry method on stainless steel current collector. In the second method, the PECVD method was used for the growth of carbon nanotubes on a steel substrate. To obtain such an electrode, the fundamental parameters in the growth of nanotubes were optimized. The grown nanotubes were characterized using Raman and XRD and SEM techniques. Electrochemical experiments, including cyclic voltammetry and galvanostatic charge and discharge tests, were performed on prepared electrodes of graphene sheets and carbon nanotubes. The results of electrochemical experiments demonstrated that the electrode fabricated by the direct growth of carbon nanotubes on a stainless steel substrate had a capacity of 16000 mF/g. In comparison, the capacity of the electrode prepared by graphene was 330 mF/g, and the electrode made of carbon nanotubes by the slurry method showed only 250 mF/g. Rectangular voltammograms achieved by cyclic voltammetry at different scanning rates for the electrode fabricated by the physical growth of carbon nanotubes on a steel substrate depicted the ideal capacitive behavior of the electrode and the stability of the electroactive material on the electrode surface.