بررسي تاثير ضخامت و تخلخل الكترودها بر روي عملكرد ابرخازن الكتروشيميايي

Effect of electrode thickness and porosity on the performance of double-layer supercapacitor

ابرخازن‌‌هاي الكتروشيميايي انرژي را در ميدان الكتريكي تشكيل شده در دو لايه الكتروشيميايي در مرز الكترود-الكتروليت ذخيره مي‌كنند. استفاده از الكترودهاي با سطح تماس بالا در ابرخازن، منجر به افزايش بسيار زياد ظرفيت ذخيره انرژي آن‌ها در مقايسه با خازن معمولي مي‌شود. مطالعه حاضر يك مدل رياضي به منظور بررسي اثر ضخامت و تخلخل‌ الكترودها بر روي عملكرد ابرخازن‌ دولايه ارائه مي‌نمايد. اين مدل بر مبناي معادلات بقاي اجزا براي گونه‌هاي محلول و بقاي بار الكتريكي در الكتروشيمي ابرخازن مي‌باشد و فرضيات معمول مانند غلظت يكنواخت در طول سلول و ظرفيت مخصوص مستقل از ولتاژ در مدل حاضر در نظر گرفته نشده است. مدل حاضر قادر به پيش‌بيني با دقت منحني ولتاژ دشارژ ابرخازن‌ در مقايسه با داده‌هاي آزمايشگاهي مي‌باشد و قابليت بكارگيري در بررسي اثر پارمترهاي ساختاري بر روي عملكرد ابرخازن‌ را دارد. نتايج بدست آمده براي شرايط كاركرد در نظر گرفته شده در مطالعه حاضر نشان مي‌دهد كه استفاده از الكترود با ضخامت بيشتر در محدوده 45 تا 70 ميكرومتر، باعث افزايش ظرفيت مخصوص ابرخازن‌ مي‌شود، در صورتي‌كه افزايش ضخامت الكترود بيش از 70 ميكرومتر، موجب كاهش ظرفيت مخصوص مي‌گردد. استفاده از الكترود‌هاي با تخلخل بيشتر نيز موجب افزايش ظرفيت مخصوص ابر‌خازن مي‌شود، به صورتي كه اگر تخلخل الكترود دو برابر شود، ظرفيت مخصوص تقريبا 5 درصد افزايش مي‌يابد.

Electrochemical supercapacitors store energy in the electric field formed at the interface of electrode/electrolyte in the electrochemical double layer. Compared to conventional capacitors, using high surface area electrodes results in the extremely large capacitance in supercapacitors. A mathematical model has been developed to investigate the effect of electrode thickness and porosity on the performance of double-layer supercapacitor. The model is based on the conservation of species and charge governing equations. This model drops the common simplifying assumptions of concentrations uniformity and capacitance independence of voltage in supercapacitors models. The model can predict the experimental data of cell voltage with high accuracy and is used to examine the effect of utilizing different electrode thicknesses and porosities on the performance. In the design and operation condition of supercapacitor considered here, specific capacitance increases as electrode thickness increases for electrode thicknesses from 70 to 90 micrometer and decreases as electrode thickness exceeds 90 micrometer. Employing more porous electrodes enhances specific capacitance. The amount of increment is such that if the electrode porosity is doubled, specific capacitance increases by approximately 5%.