Znajdź zawartość

W najbliższych latach spodziewany jest lawinowy wzrost liczby miniaturowych urządzeń transmitujących dane. Rozwija się Internet-of-Things (IoT), więc tego typu urządzenia będą wykorzystywane np. w logistyce. Wszystkie one potrzebują źródła zasilania. Jednak baterie czy akumulatory wywierają negatywny wpływ na środowisko. Badacze z Empa (Szwajcarskie Federalne Laboratoria Nauk Materiałowych i Technologii) poinformowali o stworzeniu biodegradowalnego superkondensatora. Urządzenie zbudowane jest z węgla, celulozy, gliceryny i soli stołowej. To składniki tuszu dla drukarki 3D, w której wyprodukowano nowatorskie kondensatory. Składa się on z celulozowych nanowółkien i nanokryształów, węgla w postaci sadzy, grafitu i węgla aktywnego. Formę płynną nadaje gliceryna, woda i dwa rodzaje alkoholu. Do tego dochodzi nieco soli zapewniającej przewodnictwo. Superkondensator składa się z czterech warstw nakładanych jedna po drugiej przez drukarkę. Warstwy te to elastyczna podstawa, warstwa przewodząca, elektroda i elektrolit. Całość jest następnie składana na podobieństwo kanapki z elektrolitem wewnątrz. Powstaje w ten sposób całkowicie biodegradowalny kondensator, który może przechowywać energię elektryczną całymi godzinami, a jego wersja prototypowa jest zdolna do zasilania niewielkiego zegara cyfrowego. Kondensator wytrzymuje tysiące cykli ładowania/rozładowywania, może pracować przez wiele lat, działa w temperaturach ujemnych, jest odporny na nacisk i wstrząsy. Kondensator, gdy już go nie będziemy potrzebowali, można wyrzucić. Rozkłada się w ciągu 2 miesięcy, a jedyne, co możemy po tym czasie zobaczyć, to nieco fragmentów węgla. Wydaje się to proste, ale takie nie było, mówi Xavier Aeby z Empa. Stworzenie urządzenia o odpowiednich parametrach wymagało wielu prób i testów. Konieczne było bowiem stworzenie tuszu o parametrach nadających się do użycia w drukarce, z którego powstanie kondensator gotowy do wykorzystania w praktyce. Aeby studiował inżynierię mikroelektroniki na Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w Lozannie, a w Empa pisze doktorat. Jego opiekunem jest Gustav Nyström, którego grupa badawcza już od pewnego czasu prowadzi prace nad żelami bazującymi na nanoceluluzie, biodegradowalnym materiale o potencjalnie licznych zastosowaniach. Od bardzo dawna interesuje mnie biodegradowalny system przechowywania energii. Poprosiliśmy Empa o sfinansowanie naszego projektu, Printed Paper Batteries, i właśnie osiągnęliśmy pierwszy z naszych celów, mówi Nyström. Szwajcarski superkondensator może już wkrótce stać się kluczowym komponentem IoT. W przyszłości takie kondensatory można będzie szybko ładować wykorzystując np. pole elektromagnetyczne. Po naładowaniu będą one zasilały czujniki czy mikroprzekaźniki, mówią badacze. Metoda taka może być wykorzystywana np. do sprawdzania zawartości opakowań w transporcie. Biodegradowalne systemy przechowywania energii przydałyby się też w czujnikach monitorujących środowisko czy pracujących na rzecz rolnictwa. Tego typu akumulatorów nie trzeba by było zbierać, gdyż szybko uległyby rozkładowi bez szkody dla środowiska naturalnego. « powrót do artykułu

Żyjemy w nowoczesnym świecie pełnym urządzeń zasilanych energią elektryczną. Rozwój nowych technologii sprawia, że telefony komórkowe, laptopy, tablety i wiele innych sprzętów mobilnych towarzyszy nam na każdym kroku. Najczęściej stosowane do zasilania urządzeń mobilnych są baterie litowo-jonowe tzw. Li-ion, jednak ze względu na ich powolne ładowanie, krótki czas pracy oraz szkodliwość dla środowiska naturalnego (ze względu na wysoką zawartość metali ciężkich m.in. kobalt) coraz większą uwagę poświęca się superkondensatorem. To urządzenia łączące cechy baterii oraz kondensatorów. Co się z tym wiąże? Dłuższa żywotność, prostszy recykling, a przede wszystkim szybsze ładowanie, czyli oszczędność czasu. Wszak, czas to pieniądz. Zalety superkondensatorów tkwią w ich konstrukcji, na którą składają się dwa podstawowe elementy. Pierwszy z nich to układ dwóch wysokoporowatych elektrod, które odseparowane są od siebie także porowatym materiałem chroniącym przed zwarciem. Najczęściej ta część superkondensatora jest wykonana na bazie węgla aktywnego, który jest stosowany w tych urządzeniach nie bez powodu. W jego porach umieszczany jest drugi, kluczowy składnik superkondensatora – elektrolit zawierający jony, czyli atomy obdarzone ładunkiem elektrycznym (dodatnio naładowane – kationy oraz ujemnie naładowane – aniony). Jony mogą przemieszczać się we wnętrzu porowatego materiału w zależności od przyłożonego między elektrodami napięcia. Co ciekawe, im więcej porów we wnętrzu elektrod, tym więcej energii może być zgromadzone w urządzeniu. Pomijając elementy takie jak obudowa itp., można powiedzieć, że to wszystko. Co jednak czyni superkondensatory tak obiecującymi urządzeniami do magazynowania energii? Są to wcześniej wspomniane pory, a także sposób w jaki poruszają się jony. Średnica i długość kanałów we wnętrzu porowatych elektrod ma kluczowe znaczenie. Gdy pory są szerokie, urządzenie ładuje się szybko, ale dostarcza niewiele energii, podczas gdy zmniejszenie ich średnicy pozwala na dostarczenie większej ilości energii, jednak urządzenie ładuje się o wiele wolniej. Czy istnieje zatem sposób na przyspieszenie jonów w wąskich porach? O tym w listopadowym numerze czasopisma naukowego Nature Communications pisze Svyatoslav Kondrat - naukowiec z Instytutu Chemii Fizycznej, Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN). Autorzy badań wykorzystali materiał porowaty na bazie węgla o średnicy porów poniżej jednego nanometra, przy czym należy pamiętać, że 1 nm to jedna miliardowa część metra. Pory te są zatem tak małe, że nie są widoczne dla ludzkiego oka. Materiał ten został nasączony cieczą jonową, która jest niczym innym jak solą w stanie ciekłym, przy czym nie zawiera żadnego rozpuszczalnika np. wody. Zatem ciecz jonowa to upłynniona sól. Jony z cieczy jonowej wypełniają pory, a po przyłożeniu napięcia pomiędzy elektrodami zaczynają się poruszać. Co się jednak stanie, gdy polaryzacja trwa dłuższą chwilę? Czy wszystkie jony poruszają się w równym tempie? Niestety, jony we wnętrzu elektrod zachowają się niczym samochody we wnętrzu tunelu poruszające się w przeciwnych kierunkach. Na dodatek, każdy z nich porusza się na jednym pasie, a nie jak na autostradzie - na kilku. Jeśli choćby jeden samochód utknie, pozostałe zaczynają lawinowo hamować. Zatem, przepustowość tunelu spada i powstaje korek. Tak samo dzieje się z porami, które zostają miejscami zatkane w superkondensatorze. To przekłada się na spadek sprawności pracy urządzenia, w szczególności obniża czas jego ładowania. Jak tego uniknąć? Svyatoslav Kondrat we współpracy z międzynarodowym zespołem przetestowali przykładanie napięcia w superkondensatorze pulsami, aby stopniowo wprawiać jony w ruch i nie zatykać porów. Jak się okazało, był to strzał w dziesiątkę. Metoda zaproponowana przez naukowców przyspiesza proces ładowania urządzenia i daje obiecujące wyniki. Dodatkowo przeprowadzając badania dla procesu rozładowania naukowcy Ci wykazali, że proces ten również można przyspieszyć. Przeprowadzone eksperymenty pokrywają się z wykonanymi przed naukowców licznymi symulacjami komputerowymi. Wyniki naszych badań są obiecujące. To ciekawe, że można przyspieszać nie tylko proces ładowania superkondensatora, ale także jego rozładowanie. Dzięki temu możemy usprawnić różne procesy technologiczne, np. przyspieszyć i zwiększyć wydajność odsalania wody – twierdzi Svyatoslav Kondrat. Rozwiązanie zaproponowane przez badaczy otwiera nowe możliwości oraz przybliża nas do ulepszenia istniejących już rozwiązań stosowanych do zasilania urządzeń mobilnych. Choć kondensatory znane są od dekad, to dopiero superkondensatory wychodzą naprzeciw oczekiwaniom konsumentów na miarę czasów, w których żyjemy. Dzięki takim odkryciom jesteśmy bliżej opracowania szybszych i wydajniejszych urządzeń do magazynowania energii, a to dopiero początek rewolucji w tej dziedzinie. « powrót do artykułu

Eksperci z brytyjskiego Defense Science and Technology Laboratory (Dstl), które stanowi jednostkę badawczą Ministerstwa Obrony, pracują nad... pancerzem z ochronnym polem siłowym. Silne pole elektromagnetyczne miałoby chronić pojazdy przed uderzeniem pocisków. Specjaliści twierdzą, że w pancerze czołgów można wbudować superkondensatory. Gdy pojazd wykryje, że w jego stronę lecą pociski, energia z superkondensatorów może zostać przekazana do pancerza. Wytworzy się wówczas pole elektromagnetyczne i takie pole siłowe byłoby w stanie uchronić pancerz pojazdu. Oczywiście, takie pole istniałoby jedynie przez ułamki sekundy, jednak odpowiednie dobranie momentu jego pojawienia się uchroniłoby pojazd przed ogniem wroga. Po rozładowaniu supekondensatory byłyby natychmiast ponownie ładowane w oczekiwaniu na kolejny atak. Profesor Bryn James, szef zespołu zajmującego się w Dstl pancerzami i systemami ochrony mówi, że zastosowanie dodatkowego elementu, nie zwiększy zbytnio wagi pojazdu. Obecnie i tak większość czołgów nie posiada wystarczająco grubego pancerza, by przetrwać uderzenie nowoczesnego pocisku kumulacyjnego. Konieczne jest stosowanie niezwykle grubych pancerzy. Użycie pola siłowego wyeliminuje taką potrzebę. Profesor James dodaje przy tym, że wbrew pozorom okazało się, iż naładowanie superkondensatorów nie wymaga olbrzymich ilości energii. Przeprowadzono już pierwsze testy podczas których na tradycyjny pancerz nałożono "pancerz elektryczny", składający się z wielu warstw metalu pomiędzy którymi płynie prąd. Gdy pocisk uderza w pierwszą z nich i ją przerywa, staje się częścią obwodu i powoduje pojawienie się silnego pola elektrycznego pomiędzy warstwami. Pole to prowadzi do odparowania strumienia kumulacyjnego, który nie dociera do właściwego pancerza, a więc załoga pozostaje bezpieczna. Prezentacje technologii opracowanej przez Dstl mają odbyć się w najbliższym czasie. Brytyjskie Ministerstwo Obrony chce, by prace organizacji doprowadziły w ciągu najbliższej dekady do obniżenia ciężaru pojazdów opancerzonych o 70%. Pozwoli to zwiększyć ich prędkość i zdolności manewrowe.

Wystarczy zanurzyć kartkę papieru w tuszu wykonanym z węglowych nanorurek i srebrnych nanokabli, by błyskawicznie uzyskać baterię lub superkondensator - stwierdza profesor Yi Cui z Uniwersytetu Stanforda. Społeczeństwo potrzebuje tanich, wysoko wydajnych urządzeń przechowujących energię, takich jak baterie i proste superkondensatory - mówi uczony. Naukowiec mówi, że jego baterie są szczególne. Dzięki wykorzystaniu materiałow w skali nano, podstawowe elementy baterii są bardzo małe, przez co tusz z nanorurkami i nanokablami bardzo mocno przyczepia się do włókien papieru. To zaś powoduje, że baterie są niezwykle wytrzymałe. Superkondensator wykonany metodą proponowaną przez Cui jest w stanie wytrzymać 40 000 cykli ładowania/rozładowania, a więc znacznie więcej niż nowoczesne baterie litowe. Papierowe baterie mają też kolosalną zaletę - trudno je zniszczyć. Można je zmiąć, wygiąć, zanurzyć w roztworze kwasu lub zasady, a zachowają swoją wydajność. Nie sprawdzaliśmy jeszcze, co się stanie, gdy je spalimy - mówi Cui. Superkondensatory wykonane z papieru mogą być przydatne w przemyśle motoryzacyjnym. Mają bowiem dużą powierzchnię w stosunku do objętości, mogą więc przechowywać sporo energii. Ta technologia może zostać bardzo szybko skomercjalizowana. Nie sądzę, by jej zastosowanie ograniczyło się tylko do przechowywania energii. To potencjalnie tania, elastyczna elektroda dla każdego urządzenia elektronicznego - stwierdził profesor Peidong Yang z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Zdaniem wynalazcy papierowych baterii, najbardziej przydadzą się one w przemyśle produkującym i dystrybuującym energię. Pozwolą bowiem w bardzo tani i prosty sposób przechowywać energię wyprodukowaną poza szczytem i uwolnić ją w szczycie.

Profesor Prabhakar Bandaru z Wydziału Inżynierii Lotniczej i Mechanicznej Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego oraz jego student Mark Hoefer odkryli, że niedoskonałości celowo wprowadzane do struktury nanorurek mogą być przydatne w budowie superkondensatorów. Dzięki nim urządzenia przenośne ładowalibyśmy w ciągu kilku minut. Zdaliśmy sobie sprawę z tego, że węglowe nanorurki mogą być używane do przechowywania energii, gdy badaliśmy możliwość zastosowania ich w roli elektrod dla czujników chemicznych. Podczas testów zauważyliśmy, że możemy spowodować, by powstawały w nich niedoskonałości, dzięki którym zwiększa się pojemność energetyczna - mówi Hoefer. Dodaje przy tym, że konieczne jest szczegółowe kontrolowanie liczby wprowadzanych defektów, gdyż jeśli będzie ich zbyt wiele, może spaść przewodnictwo nanorurek. A dobre przewodnictwo to warunek konieczny do osiągnięcia wysokiej pojemności. Bardzo interesujący jest sam fakt, iż nanorurki, uważane za doskonały materiał, mogą być użyteczne także dzięki wielu niedoskonałościom - stwierdza profesor Bandaru. Zdaniem obu naukowców, nanorurki mogą okazać się najlepszym materiałem do produkcji superkondensatorów.

W najbliższą środę, 21 października, na American University w Waszyngtonie rozpoczną się całodniowe pokazy 11-miejscowego miniautobusu wyposażonego w ultrakondensatory. Pojazd jest dziełem amerykańskiej firmy Sinautec Automobile Technologies i chińskiego przedsiębiorstwa Shanghai Aowei Technology Development Company. Superkondensatory (ultrakondensatory) to bardzo obiecujące urządzenia, które można bardzo szybko ładować i rozładowywać. Ich największą wadą jest pojemność, która wynosi zaledwie 5% pojemności baterii litowo-jonowych. Ultrakondensator nie przyda się zatem do zapewnienia energii samochodom pasażerskim, jednak inaczej ma się sprawa w przypadku autobusów miejskich, które często się zatrzymują i wiadomo, jaka odległość dzieli poszczególne przystanki. Część z nich można zaopatrzyć w linie wysokiego napięcia, ładujące autobusy. Pojazd, po podjechaniu na przystanek, wysuwa pantograf i w ciągu kilku minut ładuje superkondensatory, dzięki czemu może przejechać kolejne kilometry. System zasilania przypomina nieco trolejbusy, jednak pojazd nie byłby tak mocno uzależniony od lokalizacji linii wysokiego napięcia. Ponadto, jak zapewniają jego twórcy, dzięki temu że jest lżejszy i odzyskuje energię z hamowania, zużywa o 40% energii mniej niż trolejbus. Jest też o 40% tańszy niż autobus zasilany bateriami litowo-jonowymi. Ponadto, jeśli nawet będzie korzystał z energii produkowanej przez wyjątkowo "brudną" elektrownię węglową, to wyemituje do atmosfery o 70% mniej dwutlenku węgla niż autobus z silnikiem Diesla. Zakup tego typu pojazdów jest też, jak zapewnia producent, opłacalny. Biorąc pod uwagę obecne ceny paliw kopalnych i energii elektrycznej oraz fakt, iż przeciętny autobus miejski służy przez 12 lat, to pojazd z superkondensatorem zaoszczędzi na paliwie 200 000 dolarów. Twórcy autobusów mogli przekazać tak szczegółowe dane, gdyż już od trzech lat na przedmieściach Szanghaju prowadzone są testy z wykorzystaniem 17 tego typu pojazdów. To seryjne autobusy produkcji Foton America Bus Co. wyposażone w superkondensatory Shanghai Aowei. Obecnie ich pojemność wynosi 6 Wh/kg, co nie wygląda imponująco przy 200 Wh/kg zapewnianych przez nowoczesne baterie Li-Ion. W przyszłym roku do autobusów mają trafić kondensatory o pojemności 10 Wh/kg. Jak twierdzą producenci autobusów, przez trzy lata testów nie zepsuł się żaden z testowanych pojazdów, co jest świetnym wynikiem i oznacza, że można będzie zaoszczędzić również na kosztach napraw. Obecnie zasięg pojazdów wynosi 5,6 kilometra przy klimatyzacji pracującej pełną mocą i niemal 9 kilometrów przy wyłączonej klimatyzacji. Pełne ładowanie trwa, w zależności od napięcia, 5-10 minut. Przedstawiciele Sinauteca prowadzą rozmowy z MIT-em, których celem jest stworzenie superkondensatora o pojemności pięciokrotnie większej niż obecna. Autobusy z ultrakondensatorami mają też kilka wad. Obecnie 41-miejscowy pojazd może poruszać się z maksymalną prędkością 48 km/h, ma słabe przyspieszenie, a po włączeniu klimatyzacji jego zasięg spada o 35%.

Superkondensatory zwane też ultrakondensatorami, to bardzo obiecujące urządzenia, których olbrzymimi zaletami jest wyjątkowo krótki czas ładowania i rozładowywania oraz niezwykle długa żywotność urządzenia. Czyni ona superkondensatory przyjaznymi dla środowiska. Problem jednak w tym, że w są w stanie przechowywać jedynie 5% tej ilości energii, jaką możemy przechować w bateriach litowo-jonowych. Jeśli zastąpilibyśmy superkondensatorem baterię w telefonie komórkowym, nigdy nie musielibyśmy go wymieniać i moglibyśmy naładować go w kilka sekund, ale wystarczyłaby nam jedynie na pół godziny pracy - mówi Joel Schindall z MIT-u. Dlatego też obecnie superkondensatory to niszowe urządzenie, stosowane np. w autobusach, ciężarówkach czy pociągach do krótkotrwałego dostarczania mocy. Jeśli mogłyby przechowywać więcej energii stałyby się się wspaniałym źródłem zasilania samochodów elektrycznych czy urządzeń elektronicznych. Może się to zmienić dzięki badaniom naukowców z Instytutu Badawczego Obrony Przeciwchemicznej w Chinach. Opracowali oni elektrodę, która może przechowywać dwukrotnie więcej ładunków, niż elektrody z węgla aktywnego, wykorzystywane we współczesnych superkondensatorach. Nowa elektroda zawiera przypominające kwiaty nanocząsteczki tlenku manganu znajdujące się na pionowych węglowych nanorurkach. Nowe elektrody dostarczają pięciokrotnie więcej mocy niż elektrody używane obecnie. Ich żywotność dorównuje żywotności elektrod z węgla aktywnego, gdyż po 20 000 cykli ładowania/rozładowania tracą jedynie 3% pojemności. Chińska elektroda ma przewagę nad innymi rozwiązaniami mającymi na celu zwiększenie pojemności superkondensatorów. Po pierwsze, nanorurki rosną na folii z tantalu, który jest standardowo wykorzystywany w kondensatorach. Ponadto "kwiaty" z tlenku manganu mają olbrzymią powierzchnię, która wynosi aż 236 metrów na gram. A od powierzchni właśnie zależy pojemność elektrod. Specjaliści zauważają jednak, że chińska metoda ma pewną poważną wadę. W praktyce nie będzie jej można użyć w urządzeniach wymagających bardzo dużych baterii, takich jak samochody, gdyż nanorurki i folia z tantalu są bardzo drogie - stwierdza Yury Gogotsi z Drexler University. Podobnego zdania są inni uczeni, którzy doceniają osiągnięcie Chińczyków, jednak mówią o konieczności obniżenia kosztów.