ساخت یک خازن الکتروشیمیایی با چگالی انرژی بالا

خازن یون لیتیم با دارا بودن دو مشخصه بارز باتری یون لیتیم (چگالی انرژی بالا) و خازن دو لایه الکتریکی (چگالی توان بالا) به عنوان نسل جدید ابزار ذخیره انرژی در کارهایی که نیاز به چگالی انرژی و چگالی توان بالا دارند، مورد توجه قرار گرفته است. بیشترین ماده مورد استفاده جهت ساخت آند خازن یون لیتیم تجاری کربن می باشد که در اغلب موارد ظرفیت نسبتاً کمی دارد. در این پایان نامه با استفاده از سه نوع رزین فنولی نوع نوالاک هگزاآمین دار و بدون هگزاآمین و رزول به روش های مختلف کربن هایی برای آند خازن یون لیتیم ساخته شد. هدایت الکتریکی کربن های ساخته شده مورد بررسی قرار گرفت. در این میان، هدایت کربن های ساخته شده از رزول از بقیه کربن ها بیشتر بود. تست شارژ-دشارژ سریع بر روی کربن های ساخته شده از سه نـوع رزیـن فنولی انـجام شد. با معیار هدایت الکتریکی و تست شارژ-دشارژ سریع، کربن هایی بـرای بـررسی شارژ-دشارژ کامل و مشخصه یابی انتخاب شدند. تست شارژ-دشارژ کامل نشان داد که ظرفیت شارژ کربن های حاصل از رزول اتصال عرضی شده با هیدروکلریک اسید غلیظ (rc3) و یکی از نمونه های رزول اتصال عرضی شده با هیدروکلریک اسید رقیق (نمونه سبک تر، rc4) بیشترین مقدار ظرفیت ذخیره سازی یون لیتیم را دارند. جهت مشخصه یابی آنالیز عنصری (chns)، آزمون های پراش اشعه ایکس (xrd)، bet، و اندازه گیری میانگین اندازه ذرات با استفاده از دستگاه زتاسایزر مورد استفاده قرار گرفت. نتایج xrd نشان داد که کربن های rc3، rc4، و rc5 (نمونه سنگین تر رزول اتصال عرضی شده با هیدروکلریک اسید رقیق) فاصله بین لایه ای و اندازه بلور بزرگتر از دو کربنی دارند که اتصال عرضی یکی از آن ها در حالت فیلم محلول انجام گرفت (rc1) و دیگری بدون مرحله ایجاد اتصال عرضی مستقیماً کربنه شده بود (rc8). آنالیز عنصری نشان داد که کربن های rc3، rc4 و rc5، مقدار [h]/[c]، سطح ویژه و حجم کل حفرات بیشتر از دو کربن دیگر (rc1 و rc8) دارند. در نهایت کربنی با ظرفیت بالای ذخیره یون لیتیم، فاصله بین لایه ای زیاد و سطح ویژه بیشتر (rc4) برای آند خازن یون لیتیم انتخاب شد. در قسمت بعد از دو نوع کربن فعال، یکی کربن فعال تجاری موجود در بازار و دیگری کربن نرم (به دست آمده از کربنی کردن قیر نفتالنی) فعال شده با پتاسیم هیدروکسید، برای ساخت الکترود کاتد خازن یون لیتیم استفاده شد. با بررسی ظرفیت دو خازن یون لیتیم ساخته شده با الکترود آند rc4 از قبل دوپ شده با مقدار لیتیم یکسان ولی با دو کاتد متفاوت مشاهده شد که خازن ساخته شده با کاتد کربن نرم فعال ظرفیتی بیشتر از کربن فعال تجاری دارد. با افزایش مقدار لیتیم از قبل دوپ شده (از 480 به mah g-1 600) در ساختار آند rc4 و قراردادن آن در مقابل کربن نرم فـعال، خـازن یـون لـیتیـم بـا پـنجره پـتـانـسیل 6/4 ولـت و چـگـالی انرژی wh kg-1 210 در چگالی توان w kg-1 1000 ساخته شد.