پلاستیک‌هایی که برق ذخیره می‌کنند: انقلابی در فناوری ابرخازن‌ها

گفتنی است از PEDOT همچنین در صفحات لمسی، سلول‌های خورشیدی آلی و پنجره‌های هوشمند که با فشردن یک دکمه میزان شفافیت‌شان تغییر می‌کند، بهره گرفته می‌شود.
 
اما با وجود این کاربردها، PEDOT تاکنون در حوزه ذخیره‌سازی انرژی چندان موفق عمل نکرده است. نسخه‌های تجاری این ماده، سطح رسانایی و مساحت سطحی کافی برای ذخیره بار الکتریکی بالا ندارند.
 
تغییری انقلابی در ساختار PEDOT
 اکنون شیمی‌دانان دانشگاه UCLA راهی یافته‌اند تا این ماده را به‌صورت الیاف نانویی عمودی رشد دهند. این ساختار که شبیه چمن‌های انبوه به‌نظر می‌رسد، مساحت سطحی بسیار بیشتری را فراهم می‌کند و رسانایی الکتریکی را نیز به‌شکل چشم‌گیری افزایش می‌دهد. این ویژگی‌ها برای ساخت ابرخازن‌هایی با عملکرد بالا ضروری‌اند.
 
مقالهٔ مربوط به این دستاورد در نشریه Advanced Functional Materials منتشر شده و نشان می‌دهد این نوع PEDOT جدید می‌تواند به‌طور مؤثری در ساخت ابرخازن‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
 
ابرخازن‌ها در برابر باتری‌ها
 برخلاف باتری‌ها که انرژی را از طریق واکنش‌های شیمیایی ذخیره و آزاد می‌کنند، ابرخازن‌ها این کار را تنها با جمع‌آوری بار الکتریکی روی سطح انجام می‌دهند. همین موضوع باعث می‌شود که بتوانند خیلی سریع شارژ و دشارژ شوند. به همین دلیل، آن‌ها برای کاربردهایی مانند ترمزهای بازیاب در خودروهای برقی یا فلاش دوربین‌ها بسیار مناسب هستند.
 
اما چالش اصلی در ساخت ابرخازن‌های کارآمد، یافتن موادی با مساحت سطحی زیاد است. PEDOT در شکل سنتی‌اش، از این نظر عملکرد ضعیفی دارد.
 
نحوه ساخت PEDOT نانویی
 پژوهشگران UCLA با استفاده از یک فرآیند خاص رشد در فاز بخار، PEDOT را به شکل عمودی روی یک لایه از گرافن اکسید رشد داده‌اند.

آن‌ها با قراردادن قطره‌ای از محلول حاوی نانوورقه‌های گرافن و کلرید آهن روی یک ورقه گرافیتی، و در معرض بخار مونومرها، شرایطی ایجاد کردند تا پلیمر PEDOT به‌جای ایجاد یک فیلم صاف و نازک، به شکل ساختاری ضخیم و پُرزدار رشد کند. نتیجه؟ سطحی با قابلیت ذخیره‌سازی بار بسیار بیشتر از PEDOTهای رایج.
 
ظرفیت بی‌سابقه در ذخیره انرژی
 دکتر «ماهر ال‌کدی»، دانشمند مواد در UCLA و نویسنده اصلی این پژوهش می‌گوید: «رشد عمودی این ماده به ما امکان ساخت الکترودهایی را می‌دهد که چند برابر بیشتر از PEDOTهای معمولی انرژی ذخیره می‌کنند. شارژ الکتریکی روی سطح ذخیره می‌شود و وقتی سطح بیشتری داشته باشیم، شارژ بیشتری هم ذخیره می‌شود.»
 
شایان ذکر است ابرخازن‌هایی که با این الیاف PEDOT ساخته شدند، توانستند تقریباً ۱۰۰هزار چرخه شارژ و دشارژ را بدون افت عملکرد پشت سر بگذارند — عددی بی‌نظیر در میان مواد مشابه.
 
نتایجی فراتر از انتظار
 نتایج به‌دست‌آمده بسیار قابل‌توجه است. رسانایی الکتریکی این PEDOT جدید، ۱۰۰ برابر بیشتر از نسخه‌های تجاری آن است. همچنین، مساحت سطح فعال الکتروشیمیایی آن چهار برابر بیشتر از نمونه‌های سنتی است. این افزایش سطح باعث می‌شود بتوان در همان حجم، انرژی بسیار بیشتری ذخیره کرد؛ ویژگی‌ای حیاتی برای عملکرد بهتر ابرخازن‌ها.
 
گفته می‌شود ظرفیت ذخیره بار این ماده جدید، به ۴۶۰۰ میلی‌فاراد بر سانتی‌متر مربع رسیده است — چیزی حدود ده برابر بیشتر از PEDOTهای معمول. همچنین، این ماده تا ۷۰هزار چرخه شارژ دوام آورده و همچنان عملکرد عالی داشته است؛ ویژگی‌ای که برای صنایع انرژی پاک، بسیار ارزشمند است.