7198

مروري بر مطالعه ابرخازن ها به روش شبيه سازي ديناميك مولكولي

98-99

دكتر مرتضي موسوي خوشدل

يكي از روش‌هاي مطالعه ابرخازن‌ها شبيه‌سازي ديناميك مولكولي است. با اين روش مي‌توان جزئيات دولايه الكتريكي ابرخازن در سطح الكترود را به دست آورد و به كمك آن افت پتانسيل در دولايه الكتريكي و سپس ظرفيت دولايه الكتريكي را محاسبه كرد. بدين ترتيب چگونگي اثر مجموعه عوامل هندسي و فضايي بر ظرفيت دولايه الكتريكي، مانند اثر اندازه و ساختار فضايي يون‌هاي الكتروليت به كار رفته و ساختار الكترود، مطالعه مي‌شود. مفهوم دولايه الكتريكي ابتدا توسط هلمهولتز، گوي، چپمن و استرن مدلسازي رياضي شده‌بود، اما از آنجايي كه وارد كردن ساختارهاي پيچيده‌تر يون‌ها در معادلات تئوري دشوار بود، در اين مدل از تقريب‌هايي استفاده شده‌بود. در نتيجه‌ي اين ساده‌سازي‌هاي ناگزير، مدل‌هاي ابتدايي قادر نبودند نتايج تجربي از جمله نمودار زنگوله‌اي ظرفيت برحسب پتانسيل را توضيح دهند. اما به كمك روش شبيه‌سازي ديناميك مولكولي مي‌توان با محاسبه نيروهاي بين ذره‌اي و با در نظر گرفتن عوامل متعددي از جمله ساختار هندسي الكترود و يون‌هاي حاضر در الكتروليت، جزئيات ساختار دولايه الكتريكي را به دست آورد. در سال 2007، كورنيشف اثرات فضايي يون‌ها را نيز در معادله دولايه‌ي الكتريكي وارد كرد و با استفاده از مفهوم «فوقِ‌پوشش‌دهي» (overscreening) دليل كاهش ظرفيت با افزايش پتانسيل را بيان كرد. رابطه فوقِ‌پوشش‌دهي با ظرفيت بستگي به منشأ تغيير فوقِ‌پوشش‌دهي دارد. هرگاه منشأ تغيير فوقِ‌پوشش‌دهي تغيير چگالي بار سطحي باشد، فوقِ‌پوشش‌دهي كاهش و ظرفيت نيز كاهش مي‌يابد اما هرگاه تغيير در غلظت و ساختار يون‌ها موجب تغيير در فوقِ‌پوشش‌دهي شده‌باشد، كاهش فوقِ‌پوشش‌دهي باعث افزايش ظرفيت مي‌شود. نانوحفرات به ظرفيت بسيار بالا شناخته مي‌شوند و دليل آن بالا بودن سطح ويژه آن دانسته مي‌شد، در حالي كه مطالعه ديناميك مولكولي آن نشان داد كه دليل ديگري در ظرفيت قابل ملاحظه آن نقش اساسي دارد. مشاهدات شبيه‌سازي نشان داد كه در حفرات يك الكترود متخلخل فوقِ‌پوشش‌دهي در حفرات ايجاد نمي‌شود و اين باعث مي‌شود پوشش بار الكترود توسط يون مخالف بهبود يابد. همچنين محدوديت فضايي درون نانوحفرات باعث مي‌شود ضخامت دولايه الكتريكي مؤثر درون حفره كمتر از الكترودهاي مسطح گردد. اين عوامل به همراه سطح ويژه بالاي كربن متخلخل باعث ظرفيت بالاي آنها در مقايسه با الكترود صفحه‌اي شده‌است. در الكترودهاي نانوصفحه‌اي ظرفيت رفتاري نوساني با افزايش فاصله دو صفحه از هم نشان مي‌دهد كه حاصل رقابت عواملي چون فوقِ‌پوشش‌دهي، چگالي يون‌هاي سطح الكترود و فاصله لايه‌ي يوني سطح الكترود از آن است. به كمك شبيه‌سازي ابرخازن در حالت تعادلي نيز مي‌توان به مكانيزم شارژ شدن و نحوه بهبود توان پي برد. در اين رويكرد تابع چگالي الكتروليت در حالت الكترود شارژشده را با تابع چگالي الكتروليت در حالت شارژنشده (پتانسيل اعمالي صفر) مقايسه مي‌كنيم. در يك تحقيق با اين رويكرد مشاهده شد كه در مخلوطي از دو مايع يوني، اندازه‌ي يون‌ها و برهمكنش وان‌دروالسي آنها با الكترود موجب مي‌شود كه يون‌ها از طريق تغيير در جهت‌گيري فضايي و يا از طريق جابه‌جايي از توده محلول و رسيدن به لايه‌ي خود در ميدان الكتريكي ناشي از الكترود جابه‌جا شوند. پيشتر مشاهده شده بود كه ظرفيت مايعات يوني بيشتر از ظرفيت محلول‌هاي آبي است. اما اضافه كردن حلال آلي به مايع يوني هم مي‌تواند ظرفيت الكتروليت را افزايش دهد. البته تغييرات وارد شده بر ظرفيت محلول آلي نسبت به مايع يوني خالص، به نوع الكترود و درصد وزني حلال وابسته است. با بررسي الكترود لبه‌اي مشاهده شد كه تنها لبه الكترود بر ظرفيت نقش دارد و افزايش چگالي لبه بر سطح باعث افزايش ظرفيت مي‌شود. اما چنانچه از لحاظ فيزيكي اثر لبه مورد توجه باشد، افزايش نسبت سطح به لبه ظرفيت بيشتري به وجود مي‌آورد. همچنين نوع و ميزان انحناي الكترود، بر ظرفيت مؤثر است. ظرفيت الكترود نانولوله‌اي و كروي از الكترود صفحه‌اي بيشتر است و گرافن كروي با شعاع كوچكتر ظرفيت بيشتري دارد.

4/26/2020 12:00:00 AM

67706

1399/02/29