| Περίληψη: | Το γραφένιο, μια κατηγορία δισδιάστατων αλλότροπων του άνθρακα, έχει αναδειχθεί ως ένα νέο συναρπαστικό υλικό που έχει αξιοσημείωτη εφαρμογή σε διάφορους τομείς. Λόγω της υψηλής ειδικής επιφάνειας, της καλής χημικής σταθερότητας και των εξαιρετικών ηλεκτρικών ιδιοτήτων, το γραφένιο αποτελεί ένα από τους ιδανικούς υποψήφιους για νέας γενιάς αποθηκευτικές διατάξεις. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, κατασκευάστηκαν διάφοροι τύποι υβριδικών ηλεκτροδίων, αποτελούμενοι από νανοπλακίδια γραφενίου και διαφορετικές κατά βάρους αναλογίες σωματιδίων του μαγγανίου (MnO2) ή του αγώγιμου πολυμερούς πολυανιλίνη (PANI) για εφαρμογή σε υπερπυκνωτές, με στόχο την επίτευξη υψηλότερης ειδικής χωρητικότητας σε συνδυασμό με μηχανική ανθεκτικότητα. Η μορφολογία και το πάχος των ηλεκτροδίων γραφενίου χαρακτηρίσθηκαν μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM). Πραγματοποιήθηκαν επίσης πειράματα σχετικά με τη δομική ακεραιότητα και την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας των ηλεκτροδίων. Στη συνέχεια, παρασκευάστηκαν ημι-στερεάς κατάστασης ηλεκτρολύτες αποτελούμενοι από τον πλαστικοποιητή (succinonitrile, SN) και το ιοντικό υγρό (1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, BMImBF4) παγιδευμένο μέσα στο συμπολυμερές πολυβινυλυδενοφθορίδιο-εξαφθοροπροπυλένιο (Poly vinylidenefluoride-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), σε διάφορες κατά βάρους αναλογίες, με σκοπό τη χρήση τους ως ιοντικοί αγωγοί στους υπερπυκνωτές. Η συγκέντρωση του ιοντικού υγρού μεταβαλλόταν για το προσδιορισμό της επίδρασής της στην ιοντική αγωγιμότητα της συσκευής, ενώ η προσθήκη του πλαστικοποιητή παρήγαγε μια πιο συμπαγή συσκευή. Η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC) χρησιμοποιήθηκε για το χαρακτηρισμό των θερμικών ιδιοτήτων των πολυμερικών ηλεκτρολυτών. Οι μελέτες DSC επιβεβαίωσαν ότι οι πολυμερείς ηλεκτρολύτες παραμένουν σταθεροί στην ίδια φάση για μια ευρεία περιοχή θερμοκρασιών από -40 έως 100 °C. Η διαμόρφωση του υπερπυκνωτή ξεκινούσε με τον εμποτισμό ινών άνθρακα με την πάστα γραφενίου, διαμορφώνοντας με αυτό το τρόπο σύνθετα ηλεκτρόδια. Στη συνέχεια, οι πολυμερικοί ηλεκτρολύτες εφαρμόζονταν και στερεοποιούνταν μεταξύ των ηλεκτροδίων γραφενίου. Ένας συμπαγής υπερπυκνωτής πρόκυπτε τελικά με τη χρήση ινών γυαλιού εμποτισμένες με τον ηλεκτρολύτη ως διαχωριστής για την αποφυγή της επαφής των ηλεκτροδίων. Η ηλεκτροχημική συμπεριφορά των υπερπυκνωτών αξιολογήθηκε μέσω της κυκλικής βολταμετρίας και γαλβανοστατικής φόρτισης/εκφόρτισης. Η μέγιστη τιμή ειδικής χωρητικότητας που επιτεύχθηκε με τη χρήση πολυμερικού ηλεκτρολύτη ήταν 238 F g-1, πολύ κοντά δηλαδή στη τιμή 250 F g-1 που παρουσίασε αποθηκευτικό στοιχείο με υγρό ηλεκτρολύτη. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πειράματα εφελκυσμού σε συνθήκες περιβάλλοντος για το προσδιορισμό της μηχανικής συμπεριφοράς των υπερπυκνωτών. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης είναι ενθαρρυντικά και αποτελούν σκαλοπάτι για την ανάπτυξη υλικών με υψηλή απόδοση στο πεδίο της αποθήκευσης ενέργειας με εφαρμογή στα φορητά ηλεκτρονικά που βασίζονται σε νανο-σύνθετα υλικά.
|
|---|
