تهیه کامپوزیتهای پلیمرهای هادی با ترکیبات کربنی و بررسی خواص الکتروشیمیایی آنها به منظور کاربرد در باتریها و خازنها

امروزه همراه با توسعه، گسترش و افزایش تقاضای ابزارهای الکترونیکی، ابزارهای ذخیره کننده انرژی نظیر باتریهای مختلف و خازنها به توجه بسیار زیادی نیاز دارند. از بین منابع انرژی موجود، ابرخازنها بدلیل دانسیته انرژی بالا نسبت به خازنهای معمولی و نیز دانسیته توان بالا و طول عمر چرخه ای زیاد نسبت به باتریهای معمولی، توجه زیادی را به خود جلب نموده اند. پلیمرهای هادی بدلیل هدایت بالا و فعالیت ردوکس سریع، مواد مناسبی جهت تهیه الکترودهای ابرخازنی می باشند. مشکل عمده پلیمرهای هادی، تخریب سریع در نتیجه تورم و جمع شدگی می باشد که به نوبه خود منجربه کاهش تعداد دفعات شارژ-دشارژ در الکترودهای ابرخازنی خواهد شد. یکی از راهکارهای موجود به منظور فائق آمدن بر این مشکل، قرار دادن پلیمرهای هادی بر روی مواد پایه کربنی می باشد. همچنین پایه قرار دادن مواد کربنی، پایداری چرخه ای پایین پلیمرهای هادی را که از ترد بودن و ضعیف بودن استحکام مکانیکی آنها نشات می گیرد، بهبود می بخشد. پلیمرهای هادی می توانند بار الکتریکی را نه تنها در لایه دوگانه الکتریکی بلکه از طریق انتقال سریع بار القایی نیز ذخیره نمایند. از اینرو ظرفیت ویژه الکترودهای پلیمری هادی بیشتر از الکترودهایی بر پایه کربن خواهد بود، زیرا الکترودهای کربنی بیشتر قابلیت ذخیره بار را در لایه دوگانه الکتریکی دارا می باشند. در پروژه حاضر، هدف تهیه الکترودهای کامپوزیتی مرکب از مواد کربنی و پلیمر هادی با دانسیته انرژی و ظرفیت ویژه بالا به همراه پایداری چرخه ای بیشتر به منظور استفاده در الکترودهای ابرخازنها می باشد. همچنین بررسی نسبتهای وزنی مختلف از پلیمر هادی/ماده کربنی و تعیین نسبت وزنی بهینه به منظور دستیابی به خواص بهینه، از اهداف پروژه حاضر می باشد. اندازه گیریهای صورت گرفته به منظور تایید حصول بهبود در خواص الکتروشیمیایی ذکر شده برای نمونه های الکترودی شامل اندازه گیری شارژ-دشارژ گالوانواستاتیکی، اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی (eis) و اندازه گیری پایداری چرخه ای (از طریق ثبت نمودارهای ولتاموگرام در دفعات مختلف شارژ-دشارژ) می باشند. در کار پژوهشی حاضر پلی آنیلین بدلیل راحتی سنتز، خواص الکتریکی مناسب، ارزان بودن و پایداری بالای محیطی به عنوان پلیمر هادی انتخاب گردید. کربن فعال بدلیل دارا بودن ویژگیهایی نظیر، تخلخل و مساحت سطحی بالا، پایداری الکترودی مناسب و هدایت الکتریکی بسیار خوب به صورت پرکننده جهت اصلاح پایداری چرخه ای پلی آنیلین در کامپوزیت پلی آنیلین/کربن فعال به کار برده شد. کامپوزیتهای پلی آنیلین/کربن فعال با درصدهای وزنی مختلف از کربن فعال و به دو روش شیمیایی و الکتروشیمیایی تهیه شدند. آنالیزهای xrd، ft-ir و sem به منظور تایید و بررسی ساختار و ریخت شناسی پلی آنیلین و کامپوزیتهای سنتز شده صورت گرفت. آنالیزهای شارژ-دشارژ صورت گرفته بر روی نمونه های الکترودی تهیه شده به روش شیمیایی حاکی از ظرفیت ویژه بیشتر الکترودهای کامپوزیتی نسبت به الکترود پلی آنیلین خالص بود. در صورتی که در روش الکتروشیمیایی ظرفیت ویژه الکترود پلی آنیلین خالص کمی بیشتر از الکترودهای کامپوزیتی می باشد. همچنین در بین الکترودهای کامپوزیتی تهیه شده به دو روش مذکور برای هر کدام از روشها تنها در یک غلظت بهینه (درصد وزنی 9/0% از کربن فعال برای روش شیمیایی و غلظت وزنی g/l 04/0 از کربن فعال برای روش الکتروشیمیایی)، کامپوزیت پلی آنیلین/کربن فعال از بیشترین مقدار ظرفیت ویژه خازنی (ظرفیت ویژهf/g 15/338 در دانسیته جریانa/g 5 برای نمونه کامپوزیتی در روش الکتروشیمیایی و ظرفیت ویژهf/g 66/66 در دانسیته جریانa/g 02/0 برای نمونه کامپوزیتی در روش شیمیایی) برخوردار بود. همچنین در درصدهای وزنی بهینه از کامپوزیتهای سنتز شده به دو روش شیمیایی و الکتروشیمیایی مقادیر دانسیته های انرژی به ترتیب برابر باwh/kg 21/29 برای کامپوزیت سنتز شده به روش الکتروشیمیایی و مقدار wh/kg 75/5 برای کامپوزیت سنتز شده به روش شیمیایی بود. در ادامه به منظور بررسی و مقایسه پایداری چرخه ای الکترودهای کامپوزیتی بهینه از لحاظ ظرفیت ویژه با الکترودهای پلی آنیلین خالص، از ولتامتری چرخه ای در دفعات مختلف شارژ-دشارژ بهره گرفته شد. میزان کاهش شدت جریان پیکهای ولتامتری چرخه ای بعد از دفعات مختلف شارژ-دشارژ برای الکترودهای پلی آنیلینی خالص بیشتر از الکترودهای کامپوزیتی بوده و بنابراین بیانگر پایداری چرخه ای بالای الکترودهای کامپوزیتی در هر دو روش (روش شیمیایی و الکتروشیمیایی) نسبت به الکترودهای پلی آنیلینی خالص می باشد.