Πρωτοπορία στην αποθήκευση ενέργειας: Γρήγορη φόρτιση, μεγάλος χρόνος ζωής, εύκαμπτα υλικά. Νέοι Supercapacitors.

Αν και βρίσκεται στο στάδιο της έρευνας ακόμα, αυτός ο νέος εύκαμπτος υπερπυκνωτής με βάση το γραφένιο δείχνει τεράστιο δυναμικό ως αποθήκη ενέργειας σε πολλές πρακτικές εφαρμογές, όπως ηλεκτρικά οχήματα, τηλέφωνα και φορητή τεχνολογία. Η ανακάλυψη, που δημοσιεύθηκε στις 17 Φεβρουαρίου 2020 στο Nature Energy, ξεπερνά το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι υπερπυκνωτές υψηλής ισχύος και γρήγορης φόρτισης – ότι συνήθως δεν μπορούν να συγκρατήσουν μεγάλη ποσότητα ενέργειας σε μικρό χώρο. Ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, ο Δρ. Zhuangnan Li (UCL Chemistry), δήλωσε: «Ο νέος μας υπερπυκνωτής είναι εξαιρετικά ελπιδοφόρος για την τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας επόμενης γενιάς, είτε ως αντικατάσταση της τρέχουσας τεχνολογίας μπαταριών, είτε για χρήση μαζί της, για να παρέχει στον χρήστη περισσότερη δύναμη. «Σχεδιάσαμε υλικά που δίνουν στον υπερπυκνωτή μας υψηλή πυκνότητα ισχύος – δηλαδή πόσο γρήγορα μπορεί να φορτίσει ή να εκφορτώσει – και μια υψηλή ενεργειακή πυκνότητα – που θα καθορίσει πόση ενέργεια μπορεί να αποθηκεύσει. Μέχρι τώρα οι υπερπυκνωτές που ξέραμε μπορούσαν να φορτίσουν και να εκφορτίσουν πάρα πολύ γρήγορα αλλά δεν είχαν την απαραίτητη ενεργειακή πυκνότητα για όλες τις εφαρμογές, ο νέος υπερπυκνωτής παρέχει και τα δύο, κάτι που αποτελεί σημαντική ανακάλυψη. “Επιπλέον, ο νέος υπερπυκνωτής μπορεί να καμφθεί κατά 180 μοίρες χωρίς να επηρεάσει την απόδοση του και δεν χρησιμοποιεί υγρό ηλεκτρολύτη, ο οποίος ελαχιστοποιεί κάθε κίνδυνο έκρηξης και τον καθιστά ιδανικό για ενσωμάτωση σε κινητά τηλέφωνα ή φορητά ηλεκτρονικά.”

Μια ομάδα χημικών μηχανικών και φυσικών εργάστηκε στο νέο σχέδιο, το οποίο χρησιμοποιεί ένα καινοτόμο υλικό ηλεκτροδίου γραφενίου με πόρους που μπορούν να αλλάξουν σε μέγεθος για να αποθηκεύσουν το φορτίο πιο αποτελεσματικά. Αυτός ο συντονισμός μεγιστοποιεί την ενεργειακή πυκνότητα του υπερπυκνωτή σε ένα ρεκόρ 88,1 Wh / L (Watt-hour ανά λίτρο), το οποίο είναι η υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα που έχει αναφερθεί ποτέ για τους υπεραπυκνωτές με βάση τον άνθρακα. Παρόμοια εμπορική τεχνολογία γρήγορης φόρτισης έχει σχετικά χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα 5-8 Wh / L και οι παραδοσιακές μπαταρίες μολύβδου-οξέος με αργή φόρτιση, έχουν συνήθως 50-90 Wh / L. Ενώ ο υπερπυκνωτής που αναπτύχθηκε από την ομάδα έχει συγκρίσιμη ενεργειακή πυκνότητα με τις υπερσύγχρονες μπαταρίες μολύβδου-οξέος, η πυκνότητα ισχύος του είναι δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερη σε πάνω από 10.000 Watt ανά λίτρο. Ανώτερος συγγραφέας και πρύτανης των μαθηματικών και φυσικών επιστημών UCL, καθηγητής Ivan Parkin (UCL Chemistry), δήλωσε: «Η επιτυχής αποθήκευση τεράστιου όγκου ενέργειας με ασφάλεια σε ένα συμπαγές σύστημα είναι ένα σημαντικό βήμα προς τη βελτίωση της τεχνολογίας αποθήκευσης ενέργειας. Έχουμε δείξει ότι φορτίζει γρήγορα, μπορούμε να ελέγξουμε την παραγωγή του και έχει εξαιρετική ανθεκτικότητα και ευελιξία, καθιστώντας το ιδανικό για χρήση σε μικροσκοπικά ηλεκτρονικά αλλά και ηλεκτρικά οχήματα. Φανταστείτε ότι χρειάζεστε μόνο δέκα λεπτά για να φορτίσετε πλήρως το ηλεκτρικό σας αυτοκίνητο ή μερικά λεπτά για το τηλέφωνό σας και να διαρκεί όλη την ημέρα. ” Οι ερευνητές έκαναν ηλεκτρόδια από πολλαπλά στρώματα γραφενίου, δημιουργώντας ένα πυκνό, αλλά πορώδες υλικό ικανό να παγιδεύσει φορτισμένα ιόντα διαφορετικών μεγεθών. Το υλικό έχει καλύτερη απόδοση όταν τα μεγέθη των πόρων ταίριαζαν με τη διάμετρο των ιόντων στον ηλεκτρολύτη. Το βελτιστοποιημένο υλικό, το οποίο σχηματίζει μια λεπτή μεμβράνη, χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή μιας δοκιμαστικής συσκευής με υψηλή ισχύ και υψηλή ενεργειακή πυκνότητα. Ο υπερπυκνωτής 6cm x 6cm κατασκευάστηκε από δύο πανομοιότυπα ηλεκτρόδια σε στρώσεις και στις δύο πλευρές μιας ουσίας που μοιάζει με πυκνό GEL που δρούσε ως χημικό μέσο για τη μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου. Αυτό χρησιμοποιήθηκε για την τροφοδοσία δεκάδων LED και βρέθηκε ότι είναι εξαιρετικά ανθεκτικό, εύκαμπτο και σταθερό. Ακόμα και όταν κάμπτεται στους 180 μοίρες, αποδίδει σχεδόν το ίδιο όπως όταν ήταν επίπεδο, και μετά από 5.000 κύκλους, διατηρούσε το 97,8% της χωρητικότητάς του. O καθηγητής Feng Li (Κινεζική Ακαδημία Επιστημών), δήλωσε: «Τα επόμενα τριάντα χρόνια, ο κόσμος της ευφυούς τεχνολογίας θα επιταχυνθεί, κάτι που θα αλλάξει σημαντικά την επικοινωνία, τη μεταφορά και την καθημερινή μας ζωή. Καθιστώντας την αποθήκευση ενέργειας πιο έξυπνη, οι συσκευές θα γίνουν αόρατες για εμάς δουλεύοντας αυτόματα και αλληλεπιδραστικά με άλλες συσκευές. Τα έξυπνα sypercells είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα για το πώς μπορεί να βελτιωθεί η εμπειρία χρήστη και δείχνουν τεράστιο δυναμικό ως φορητή αποθήκη ενέργειας σε μελλοντικές εφαρμογές. “

Παραπομπή: «Συντονισμός της απόστασης μεταξύ φύλλων μεμβρανών γραφενίου για αποτελεσματική χρήση πόρων προς αποθήκευση χωρητικής ενέργειας» από τους Zhuangnan Li, Srinivas Gadipelli, Hucheng Li, Christopher A. Howard, Dan JL Brett, Paul R. Shearing, Zhengxiao Guo, Ivan P Parkin and Feng Li, 17 Φεβρουαρίου 2020, Nature Energy.