Nowa pochodna grafenu poprawia możliwości superkondensatorów w zakresie magazynowania energii
Jesteśmy świadkami transformacji energetycznej na świecie. Wraz z odchodzeniem od paliw kopalnych na rzecz zrównoważonych źródeł energii pojawiają się wyzwania związane z magazynowaniem energii, które należy rozwiązać. Pomóc w tym może superkondensator. Jak czytamy na stronie ScienceDirect, superkondensatory to „elektrochemiczne urządzenia do magazynowania energii, które przechowują i uwalniają energię poprzez odwracalną absorpcję i desorpcję jonów w interfejsach pomiędzy materiałami elektrodowymi a elektrolitami”. Tym, co wyróżnia superkondensatory na tle innych rozwiązań do magazynowania energii, takich jak akumulatory, jest znacznie dłuższa żywotność. Akumulatory wytrzymują zazwyczaj między 2 000 a 3 000 cykli ładowania/rozładowania, podczas gdy superkondensatory są w stanie wytrzymać ponad milion szybkich ładowań, co przekłada się na ograniczenia kosztów i zużycia materiałów. Mimo to superkondensatory nie dorównują możliwościom akumulatorów w zakresie magazynowania energii. Jednak wkrótce może się to zmienić dzięki materiałowi będącemu pochodną grafenu, który jest opracowywany w ramach finansowanego przez UE projektu UP2DCHEM. „Zastępując węgiel aktywny nową pochodną grafenu, możemy stworzyć superkondensatory o zdolnościach magazynowania energii porównywalnych z typowym akumulatorem, zachowując przy tym możliwości szybkiego ładowania”, wyjaśnia Michal Otyepka, kierownik działu nanomateriałów w Czeskim Instytucie Zaawansowanych Technologii i Badań działającym przy Uniwersytecie Palackiego w Ołomuńcu, uczelni będącej gospodarzem projektu.
Skalowanie
Grafen to cienka warstwa czystego węgla, szczelnie upakowanego i tworzącego sieć sześciokątów w kształcie plastra miodu. „Powszechnie uważa się go za cudowny materiał, ponieważ posiada wiele niesamowitych cech – począwszy od bycia najcieńszym znanym związkiem i najbardziej znanym przewodnikiem”, czytamy na stronie Graphene-info. „Charakteryzuje się także niezwykłą wytrzymałością i zdolnościami do pochłaniania światła, a ponadto jest przyjazny dla środowiska i zrównoważony”. To właśnie te cechy przyciągnęły uwagę Otyepki. W ramach poprzedniego projektu Otyepka zaprojektował nowe funkcjonalne materiały oparte na grafenie, z których jeden dostarczył naprawdę obiecujących wyników podczas badań w laboratorium. Celem wspieranego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych projektu UP2DCHEM było z kolei zwiększenie skali syntezy tego materiału z miligramów do kilogramów oraz sprawdzenie możliwości jego wykorzystania w urządzeniach magazynujących energię. „W laboratorium zazwyczaj przygotowujemy i testujemy mniejsze próbki, często nie ważące nawet grama”, zauważa Otyepka. „Do stworzenia prototypów urządzeń partnerzy komercyjni potrzebują jednak znacznie większych ilości materiału, nawet ponad pół kilograma”. Zwiększanie skali z małych do dużych ilości okazało się jednak sporym wyzwaniem, szczególnie z uwagi na fakt, że synteza wymaga aktywatora w postaci związku chemicznego. „Początkowo dosyć trudno było nam znaleźć firmę, która byłaby zainteresowana współpracą nad tak wybuchowym projektem”, dodaje Otyepka. Ostatecznie nawiązano współpracę z firmą, która zajęła się syntezą, co pozwoliło Otyepce udowodnić, że synteza takich ilości jest możliwa oraz że materiał zachowuje wymagane właściwości w takich warunkach i w tak dużych ilościach. Odkrycie to nie tylko pozwoliło naukowcowi na dalszą optymalizację syntezy, ale także przygotowało grunt pod opracowanie superkondensatorów i dalszy rozwój projektu. „Pracujemy teraz nad przemianą tych nowych materiałów w urządzenia, które pomogą wypełnić ciągle rosnące zapotrzebowanie na stabilną, tanią i zrównoważoną energię”, podsumowuje Otyepka. Naukowcy współpracują teraz z kilkoma firmami i uniwersytetami, aby stworzyć oparte na grafenie prototypy superkondensatorów.
Słowa kluczowe
UP2DCHEM, grafen, superkondensator, magazynowanie energii, akumulator, akumulatory, ładowanie, zrównoważona energia
