مروری بر کاربرد پلیمرهای رسانا در الکترود ابرخازن‌ها
محورهای موضوعی : پلیمرها در انرژی و کاربردهای بهداشتی و محیطی
احمدرضا اکبریان
1
,
پدرام منافی
2
1 - دانشگاه صنعتی امیرکبیر، پردیس ماهشهر، گروه مهندسی پلیمر
2 - تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهران، گروه مهندسی پلیمر
کلید واژه: ابرخازن‌ها, پلیمرهای رسانا, الکترود, انعطاف‌پذیری, نانوساختار,
چکیده مقاله :
ابرخازن‌های انعطاف‌پذیر بر پایه پلیمرها یکی از پیشرفت‌های کلیدی در زمینه ذخیره‌سازی انرژی هستند که به دلیل قابلیت‌های منحصربه‌فرد خود، توجه زیادی را در دهه اخیر به خود جلب کرده‌اند. این دستگاه‌ها از پلیمرهای هادی به‌عنوان ماده اصلی الکترود استفاده می‌کنند که نه‌تنها خاصیت انعطاف‌پذیری را فراهم می‌کنند، بلکه رسانایی الکتریکی بالا و پایداری شیمیایی خوبی نیز دارند. این ویژگی‌ها باعث می‌شوند که این ابرخازن‌ها در دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی(wearable) ، حسگرهای منعطف و حتی دستگاه‌های زیست‌پزشکی به کار گرفته شوند. در طراحی این نوع ابرخازن‌ها، بهینه‌سازی ساختارهای نانومقیاس و استفاده از الکترولیت‌های پیشرفته برای افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی و پایداری چرخه‌ای اهمیت ویژه‌ای دارد. علاوه بر این، ترکیب پلیمرهای مختلف و مواد هیبریدی می‌تواند کارایی دستگاه را بهبود بخشد. به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد، ابرخازن‌های پلیمری انعطاف‌پذیر می‌توانند در شرایط سخت محیطی کار کنند و توانایی شارژ و دشارژ سریع را ارائه دهند که این مزیت بزرگی نسبت به باتری‌های معمولی است. توسعه مداوم در این حوزه شامل طراحی مواد جدید، فرایندهای تولید کارآمد و روش‌های نوآورانه برای بهبود عملکرد این دستگاه‌ها است. این پیشرفت‌ها نویدبخش کاربردهای وسیع‌تری در فناوری‌های آینده و نقش مهمی در تحقق مفاهیم شهرهای هوشمند، دستگاه‌های قابل‌حمل پیشرفته و کاهش مصرف انرژی هستند. این فناوری نوظهور به طور مداوم درحال‌رشد و تکامل است و پتانسیل تغییر چشم‌انداز ذخیره‌سازی انرژی را دارد.
Flexible polymer-based supercapacitors are one of the key advances in the field of energy storage that have attracted much attention in the last decade due to their unique capabilities. These devices use conductive polymers as the main electrode material, which not only provide flexibility, but also have high electrical conductivity and good chemical stability. These properties make these supercapacitors suitable for wearable electronic devices, flexible sensors, and even biomedical devices. In the design of these types of supercapacitors, optimizing nanoscale structures and using advanced electrolytes are of particular importance to increase storage capacity and cyclic stability. In addition, combining different polymers and hybrid materials can improve the device efficiency. Due to their unique properties, flexible polymer supercapacitors can operate in harsh environmental conditions and offer fast charging and discharging capabilities, which is a major advantage over conventional batteries. Ongoing development in this field includes the design of new materials, efficient manufacturing processes, and innovative methods to improve the performance of these devices. These advances promise broader applications in future technologies and play an important role in realizing the concepts of smart cities, advanced portable devices, and reduced energy consumption. This emerging technology is constantly growing and evolving and has the potential to change the energy storage landscape.
1. Lakra, R., et al., A mini-review: Graphene based composites for supercapacitor application. Inorganic Chemistry Communications, 2021. 133: p. 108929.
2. Manafi, P., et al., A study on the microstructural development of gel polymer electrolytes and different imidazolium-based ionic liquids for dye-sensitized solar cells. Journal of Power Sources, 2021. 481: p. 228622.
3. Manafi, P., et al., Microstructural development and rheological study of a nanocomposite gel polymer electrolyte based on functionalized graphene for dye-sensitized solar cells. Polymers, 2020. 12(7): p. 1443.
4. Cui, J., et al., General synthesis of hollow mesoporous conducting polymers by dual-colloid interface co-assembly for high-energy-density micro-supercapacitors. Journal of Energy Chemistry, 2021. 62: p. 145-152.
5. AbdelHamid, A.A., A. Elgamouz, and A.-N. Kawde, Enhanced Supercapacitor Performance of Polypyrrole-Coated Graphenized Electrode by Tuning Electrodeposition Technique. Arabian Journal for Science and Engineering, 2024. 49(7): p. 9175-9192.
6. Wang, Z., et al., Polymers for supercapacitors: Boosting the development of the flexible and wearable energy storage. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2020. 139: p. 100520.
7. Zhong, M., M. Zhang, and X. Li, Carbon nanomaterials and their composites for supercapacitors. Carbon Energy, 2022. 4(5): p. 950-985.
8. Oladele, I., et al., Polymer-based nanocomposites for supercapacitor applications: a review on principles, production and products. RSC advances, 2025. 15(10): p. 7509-7534.
9. Hao, L. and D. Yu, Progress of conductive polypyrrole nanocomposites. Synthetic Metals, 2022. 290: p. 117138.
10. Rus, Y.B., et al., Influence of the electrolytic medium on the performance and stability of functionalized graphene-polypyrrole nanocomposites as materials for supercapacitors. Synthetic Metals, 2019. 254: p. 22-28.
11. Teng, W., et al., Hierarchical Poly (3, 4-ethylenedioxythiophene): Poly (styrenesulfonate)/Reduced graphene oxide/Polypyrrole hybrid electrode with excellent rate capability and cycling stability for fiber-shaped supercapacitor. Journal of Colloid and Interface Science, 2023. 636: p. 245-254.
12. Moyseowicz, A., D. Minta, and G. Gryglewicz, Conductive polymer/graphene-based composites for next generation energy storage and sensing applications. ChemElectroChem: e202201145. 2023.
13. Tamang, S., et al., A concise review on GO, rGO and metal oxide/rGO composites: Fabrication and their supercapacitor and catalytic applications. Journal of Alloys and Compounds, 2023. 947: p. 169588.
14. Bonastre, J., J. Molina, and F. Cases, Surface modification of jute fabrics by reduced graphene oxide-conducting polymer coatings for their application in low-cost and eco-friendly supercapacitors. Journal of Energy Storage, 2023. 69: p. 107936.
15. Abdillah, O.B., et al., Recent progress on reduced graphene oxide and polypyrrole composites for high performance supercapacitors: A review. Journal of Energy Storage, 2023. 74: p. 109300.
16. Minisy, I.M., et al., Polypyrrole/Tungsten Carbide Nanocomposites for Electrochemical Applications. ACS Applied Polymer Materials, 2024. 6(14): p. 8244-8253.
17. Yadav, R., et al., High‐performance flexible supercapacitor based on morphology tuned polypyrrole/molybdenum disulfide nanocomposites. Energy Storage, 2023. 5(8): p. e477.
18. Czagany, M., et al., Supercapacitors: An efficient way for energy storage application. Materials, 2024. 17(3): p. 702.
19. Hong, R., et al., Fabrication of polypyrrole hollow nanospheres by hard-template method for supercapacitor electrode material. Molecules, 2024. 29(10): p. 2331.
20. Yazar, S., M.B. Arvas, and K. Gürkan, Synthesis of polythiophene with zigzag morphology on pencil graphite electrode and investigation of energy storage properties in supercapacitors. Journal of Materials Science, 2024. 59(24): p. 10936-10952.
21. Tadesse, M.G., A.S. Ahmmed, and J.F. Lübben, Review on conductive polymer composites for supercapacitor applications. Journal of Composites Science, 2024. 8(2): p. 53.
22. Ionescu, D. and M. Kovaci, Prediction of the Specific Energy of Supercapacitors with Polymeric Materials Using Advanced Molecular Dynamics Simulations. Polymers, 2024. 16(23): p. 3404.
23. Zschiebsch, W., et al., Multifunctionality analysis of structural supercapacitors—A review. Materials, 2024. 17(3): p. 739.
24. Tawade, A.K., et al., Enhanced supercapacitor performance through synergistic electrode design: reduced graphene oxide-polythiophene (rGO-PTs) nanocomposite. Chemical Engineering Journal, 2024. 492: p. 151843.
25. Kamali, A.K., et al., Prospective life cycle assessment of two supercapacitor architectures. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2023. 11(44): p. 15898-15909.
26. Saadati pour, M., M. Delyanee, and M.Z. Pedram, Innovative Synthesis and Advancement Strategies for GCN as Supercapacitor Electrodes: A Comprehensive Review Revealing New Insights. ACS Applied Energy Materials, 2025.
27. Galloni, M.G., et al., Highly porous polyaniline (PANI): a novel green catalytic method for morphology control. Journal of Materials Science, 2025: p. 1-26.
28. Giri, H., et al., Polyaniline derivatives and their applications, in Trends and Developments in Modern Applications of Polyaniline. 2023, IntechOpen.
29. Ayalew, M.Y., et al., Synthesis of polyaniline nanomaterials for an effective supercapacitor applications. Materials Research Express, 2024. 11(12): p. 125303.
30. Qin, X., et al., Polyaniline-modified graphitic carbon nitride as electrode materials for high-performance supercapacitors. Carbon Letters, 2023. 33(3): p. 781-790.