کاربرد الیاف کربن در ذخیره سازی انرژی

کاربرد الیاف کربن در ذخیره سازی انرژی

تاریخ انتشار :
1397/11/28

                         
 تصاویر SEM از الیاف کربن ساخته شده (چپ) PAN، (وسط) PAN/PMMA و (راست) PAN-b-PMMA
 لیو با استفاده از کوپلیمر PAN-b-PMMA الیاف کربنی با اندازه منافذ یکنواخت تولید نمود.

 
11  فوریه 2019
 
گیولیانگ لیو(Guoliang ‘Greg’ Liu) استادیار گروه شیمی دانشکده علوم فنی ویرجینیا آمریکا، نظریه ی تولید الیاف کربنی را مطح نموده است که نه تنها از نظر ساختاری بلکه از نظر عملکردی نیز دارای کارایی متفاوت و بالایی می باشد.
او با کشف روش جدیدی در ساخت الیاف کربن متخلخل با استفاده از کوپلیمرهای بلوکی در راستای  ذخیره سازی انرژی در (پوسته ی خارجی و بدنه) ماشین ها و هواپیماها قدم برداشته است.
الیاف کربن که به عنوان ماده ای مهندسی با کارایی بالا شناخته می شود به طور گسترده در صنعت اتومبیل سازی و هوافضا از جمله در بدنه ی اتومبیل های لوکس مانند مرسدس بنز،
بی ام دبلیو و لامبورگینی مورد استفاده قرار گرفته است.

از خصوصیات بارز این رشته های نازک کربنی میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
-    خواص اصلی مواد اولیه
-    خواص مکانیکی بالا
-    مقاوم در برابر مواد شیمیایی 
-    رسانای الکتریکی 
-    بازدارنده آتش
-    وزن کم
 
                الیاف کربن می تواند به بهینه سازی سوخت در جت ها و وسایل نقلیه کمک نماید


اما چگونه می توان آنها را به گونه ای طراحی کرد که از خصوصیات ذخیره سازی انرژی برخوردار باشند؟

به گفته ی لیو، عضو موسسه نوآوری ماکرو مولکول ها (Macromolecules Innovation Institute)، جهت ذخیره سازی انرژی، به مکانی برای قرارگیری یون نیاز است و الیاف کربن با دارا بودن حفره هایی در ابعاد میکرو (مانند اسفنج) می توانند یون های انرژی را به طور یکنواخت در سرتاسر سطح خود ذخیره نمایند.

افراد زیادی طی دها سال برای دستیابی به الیاف کربن متخلخل تلاش نموده اند اما به یکنواختی منافذ در الیاف کربن دست نیافته اند.

لیو با تغییر روش معمول تولید شیمیایی الیاف کربن، برای نخستین بار به فرآیندی جهت سنتز فیبرهای کربن متخلخل با منافذی به سایز و فضای یکنواخت دست یافت.
جهت دستیابی به الیاف کربن متخلخل، او از یک فرآیند شیمیایی چند مرحله ایی با دو پلیمر به نام های پلی آکریلونیتریل (PAN) و کوپلیمر بلوکی پلی (آکریلونیتریل - متیل متاکریلات) (PMMA) استفاده نمود.
(PAN) در زمینه شیمی پلیمری به عنوان یک ترکیب اولیه برای الیاف کربن شناخته می شود، در حالی که (PMMA) به عنوان یک ماده نگهدارنده عمل می کند و در نهایت جهت ایجاد حفره ها حذف می گردد.

در گذشته شیمیدان ها جهت تولید الیاف کربن متخلخل با منافذی در اندازه های مختلف، PAN و PMMA را در یک محلول به طور جداگانه مخلوط می کردند.

لیو با نظریه پیوند PAN و PMMA ، پلیمری را تولید کرد که به عنوان یک کوپلیمر بلوکی شناخته می شود. نیمی از ترکیب پلیمری از PAN و نیمی دیگر از PMMA که به روش کوالانسی از وسط پیوند خورده اند.
 
                   
 
روش های معمول  (Bو A)  و روش جدید (C) جهت سنتز الیاف کربنی از مواد پلیمری مختلف.(PAN (A خالص به رشته های لیفی شکل الکترواسپینگ شده و در دمایC° 280 در هوا پخت می شوند PAN (آبی)، و سپس در دمای C° 800  در محیط نیتروژن به الیاف کربن (خاکستری) تبدیل می گردد.(PAN (B با PMMA جهت تولید آلیاژ پلیمری ترکیب شده و پس از اکسیداسیون فازهایی در ابعاد ماکرو از آلیاژ پلیمری جدا می شود و زمینه غیر یکنواختی را ایجاد میکند. در نهایت پس از پیرولیز PMMA حذف می گردد و در نتیجه منافذ غیریکنواختی ایجاد می شود. (C) کوپلیمر بلوکی PAN-b-PMMA فاز هایی در ابعاد میکرو از زمینه یکنواخت PMMA (قرمز رنگ) درون بستری از PAN (آبی رنگ) پس از اکسیداسیون ایجاد می شود. که پس از پیرولیز، الیاف کربن متخلخل دارای منافذی یکنواخت تولید می گردد.


پس از سنتز کوپلیمر بلوکی در آزمایشگاه، محلول ویسکوز تحت تاثیر سه روش شیمیایی برای تولید الیاف کربن متخلخل قرار می گیرد:

مرحله ی اول؛ الکترو اسپینینگ (Electrospinning)، روشی که از نیروی الکتریکی به منظور سفت شدن محلول و ایجاد رشته های الیافی استفاده می گردد. 
مرحله ی دوم؛ با قرار دادن پلیمر، تحت دمای اکسیداسیون PAN و PMMA را به طور طبیعی جدا کرده و دایره های یکنواخت از PMMA در رشته های PAN ایجاد می نماید.
مرحله ی سوم و نهایی که (pyrolysis) نام دارد؛ حرارت دادن پلیمر در دمای بالا، پلی آکریلونیتریل (PAN) جامد شده را به کربن تبدیل کرده و  پلی آکریلونیتریل - متیل متاکریلات (PMMA) را حذف می کند که در واقع منافذی با قطر بین ۲ تا۵۰ نانومتر (mesopores) با منافذی با قطری کمتر از ۲ نانومتر (micropores) در الیاف به یکدیگر متصل می شوند.

به گفته ی لیو: " این نخستین بار است که از کوپلیمرهای بلوکی برای ساخت الیاف کربن استفاده شده و همچنین برای اولین بار است که از الیاف کربن متخلخل بر پایه کوپلیمر بلوکی جهت ذخیره سازی انرژی استفاده می نماییم و تا به الان اغلب، ما از منظر فرآیند می نگریستیم، اما در این دستاورد از نقطه نظر طراحی مواد اندیشیده ایم."

اگرچه این دستاورد، پیشرفت در زمینه ی مواد مهندسی با کارایی بالا را نشان می دهد، اما پیشرفت بزرگتر و دستاورد اصلی، امکان ذخیره سازی انرژی با ایجاد ساختارهای متخلخل یکنواخت با استفاده از کوپلیمرهای بلوکی است.
لیو با بیان اینکه این روش راه ما را برای ذخیره سازی انرژی با طراحی مواد باز می کند، افزود: اکنون الیاف کربن دیگر تنها به عنوان یک ماده ی ساختاری مورد استفاده قرار نمی گیرد بلکه به عنوان ماده کاربردی نیز به شمار می آید.



منابع: 
https://www.materialstoday.com/carbon-fiber/news/porous-carbon-fibers-for-energy-storage/
https://phys.org/news/2019-02-carbon-fibers-uniform-porous.html
http://polympart.com

گردآورنده: مهندس نسیم رشیدی نژاد

 
کلیه حقوق مادی و معنوی این سایت برای سایت plastjoo.com محفوظ است
طراحی سایت : آرتاراکس آرتاراکس