Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Superszybki tunel dla jonów

Recommended Posts

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

Share this post


Link to post
Share on other sites

Zasadniczą wadą kondensatorów jest ich niska gęstość zgromadzonej energii w porównaniu z bateriami. Międzynarodowy zespół naukowców współpracujący z Uniwersytetem Technicznym w Monachium poinformował niedawno o opracowaniu hybrydowego superkondensatora grafenowego o parametrach zbliżonych do baterii. W roli elektrolitu wykorzystano kwas grafenowy usieciowany w materiale porowatym typu MOF (ang. Microporous Organic Framework):

Quote

Decisive for the performance of graphene hybrids are on the one hand a large specific surface and controllable pore sizes and on the other hand a high electrical conductivity. "The high performance capabilities of the material is based on the combination of the microporous MOFs with the conductive graphene acid," explains first author Jayaramulu Kolleboyina, a former guest scientist working with Roland Fischer

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/01/210104131948.htm

Edited by Qion

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Litowo-jonowe akumulatory wykorzystywane w samochodach elektrycznych to poważny problem środowiskowy i wizerunkowy. Ich recykling z pewnością poprawiłby zarówno wizerunek, jak i obciążenie dla środowiska. O ile jednak zaczyna rozwijać się cały przemysł recyklingu akumulatorów, to bardzo trudno jest namówić producentów samochodów, by chcieli korzystać z materiałów pochodzących z recyklingu.
      Ludzie uważają, że materiał z recyklingu nie jest równie dobry, jak oryginalny. Producenci akumulatorów mają wątpliwości odnośnie wykorzystywania odzyskiwanych materiałów, mówi profesor Yan Wang z Worcester Polytechnic Institute. Tymczasem badania przeprowadzone przez Wanga we współpracy ze specjalistami z US Advanced Battery Consortium (USABC) i firmy A123 Systems wykazały, że takie obawy są bezpodstawne. Katody z recyklingu są równie dobre, a nawet lepsze niż katody wykonane z dziewiczych materiałów.
      Specjaliści przeanalizowali akumulatory z pochodzącymi z recyklingu katodami NMC111. To najpowszechniej występujący typ katod, zbudowanych z manganu, kobaltu i niklu. Recykling wykonano za pomocą technologii opracowanej przez Wanga, którą uczony próbuje obecnie skomercjalizować.
      Okazało się, że katoda z materiału po recyklingu posiada więcej mikroskopijnych porów niż z dziewiczego materiału. W efekcie akumulatory z taką katodą mają podobną gęstość energetyczną, ale mogą pracować o 53% dłużej.
      Testów nie prowadzono co prawda w samochodach, ale na przemysłowych stanowiskach testowych. Na ich potrzeby wykonano odpowiadające standardom przemysłowym ogniwa o pojemności 11 Ah. Za testy odpowiedzialni byli inżynierowie z A123 Systems, a przeprowadzano je według standardów USABC dla hybryd plug-in. Wykazały one, że katody z recyklingu świetnie się sprawują. A to katody, jak mówi Wang, są najcenniejszym elementem akumulatorów. Dlatego też uczony zainteresował się właśnie ich odzyskiwaniem, gdyż to one mogą przynieść firmom zajmującym się recyklingiem największe zyski, a tym samym stać się impulsem do powszechniejszego recyklingu akumulatorów samochodowych.
      Założona przez Wanga firma Battery Resources planuje otwarcie pierwszego zakładu, który 2 2022 roku przetworzy 10 000 ton akumulatorów. Wangowi udało się też zdobyć finansowanie w wysokości 70 milionów USD, za które chce wybudowac dwa kolejne zakłady, tym razem na terenie Europy. Mają one powstać do końca przyszłego roku.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      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
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Przenośna konsola, która umożliwia nieograniczenie długą rozgrywkę, bez potrzeby wymiany czy ładowania akumulatora, to marzenie wielu graczy. Urządzenie takie powstało właśnie dzięki współpracy naukowców z amerykańskiego Northwestern University i holenderskiego Uniwersytetu Technologicznego w Delft. Prototyp konsoli podobnej do Game Boya to model badawczy, który posłuży do dalszych prac nad elektroniczną rozrywką bez baterii czy akumulatorów.
      Akumulatory i baterie są kosztowne i niezwykle szkodliwe dla środowiska naturalnego. Stąd też pomysł, by z nich zrezygnować. Twórcy wspomnianego prototypu postanowili wykorzystać energię słoneczną oraz energię dostarczaną przez samego użytkownika.
      To pierwsze nieposiadające baterii urządzenie interaktywne, które czerpie energię z działań użytkownika. Gdy naciskasz przycisk, urządzenie zmienia twoje działanie w energię, którą się zasila, mówi współautor badań, Josiah Hester z Northwestern. Zrównoważona rozrywka elektroniczna będzie kiedyś oczywistością, a my – pozbywając się akumulatorów – uczyniliśmy ważny krok w tym kierunku, dodaje Przemysław Pawelczak z Delft.
      Naukowcy zmodyfikowali Game Boyja dodając wokół ekranu panele fotowoltaiczne. Drugim źródłem energii jest sam użytkownik i naciskane przez niego przyciski. Zaprojektowane od podstaw urządzenie pozwala na uruchomienie dowolnej klasycznej gry zapisanej na kartridżach Game Boya.
      W momencie gdy urządzenie przełącza się pomiędzy źródłami energii, doświadcza krótkotrwałej utraty zasilania. Naukowcy, by upewnić się, że czas gry pomiędzy takimi wyłączeniami będzie akceptowalnie długi, zaprojektowali swoją konsolę tak, by jak najbardziej oszczędzała ona energię. Stworzyli też nową technikę zapisywania stanu gry w pamięci nieulotnej, dzięki której zminimalizowali koszty układu pamięci oraz skrócili czas ponownego ładowania gry po odzyskaniu zasilania. Użytkownik nie musi naciskać przycisku „zachowaj”. Stan gry zapisywany jest dokładnie w momencie, w którym doszło do utraty zasilania.
      Gdy dzień nie jest zbyt pochmurny, a gra wymaga co najmniej średniej liczby naciśnięć przycisków, utrata zasilania przydarza się rzadziej niż co 10 sekund i trwa około sekundy. Naukowcy stwierdzili, że jest to wystarczające rozwiązanie, by cieszyć się takimi grami jak szachy, pasjans czy Tetris. Z pewnością jednak będzie to przeszkadzało przy bardziej dynamicznych grach.
      Oczywiście przed naukowcami jeszcze bardzo długa droga, zanim z tak prostego prototypu uczynią wygodną w użyciu pozbawioną akumulatorów i baterii przenośną konsolę pozwalającą na korzystanie z dowolnych gier. Uczeni mają jednak nadzieję, że ich prace zwiększą świadomość konsumentów w obliczu szybko rozwijającego się Internet of Things. Otaczamy się coraz większą liczbą niewielkich gadżetów, zużywając przy tym coraz więcej baterii i akumulatorów, które w końcu trafiają na wysypiska śmieci, zanieczyszczając glebę, wodę i powietrze.
       


      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Producenci akumulatorów od lat próbują zastąpić grafitową anodę w akumulatorach litowo-jonowych jej krzemową wersją. Powinno to zwiększyć zasięg samochodów elektrycznych wyposażonych w takie akumulatory. Próby są prowadzone zwykle z użyciem tlenku krzemu lub połączenia krzemu i węgla. Jednak kalifornijska firma Enevate ma nieco inny pomysł – wykorzystuje cienkie porowate warstwy czystego krzemu.
      Właściciel i główny technolog firmy, Benjamin Park, który od ponad 10 lat pracuje nad nowymi akumulatorami, twierdzi, że taki materiał jest nie tylko tani, ale pozwala na zwieszenie o 30% zasięgu samochodów elektrycznych wyposażonych w tego typu akumulatory. Co więcej, przedstawiciele Enevate uważają, że w niedalekiej przyszłości tego typu akumulatory po 5-minutowym ładowaniu zapewnią samochodowi 400 kilometrów zasięgu.
      Podczas ładowania akumulatorów litowo-jonowych jony litu przemieszczają się z katody do anody. Im więcej jonów jest w stanie przyjąć anoda, tym większa pojemność akumulatora. Krzem może przechowywać nawet 10-krotnie więcej energii niż grafit. Jednak w trakcie pracy akumulatora znacznie się on rozszerza i kurczy, powstają pęknięcia i materiał kruszy się po kilku cyklach ładowania.
      Producenci akumulatorów, chcąc obejść ten problem, dodają nieco krzemu do proszku grafitowego. Całość mieszana jest z tworzywem sztucznym działającym jak spoiwo i nakładana na cienką warstwę miedzi. W ten sposób powstaje anoda. Jednak, jak wyjaśnia Park, jony litu najpierw wchodzą w interakcje z krzemem, później z grafitem. Krzem wciąż się nieco rozszerza, a spoiwo jest dość słabe. Tak zbudowana anoda ulega tym szybszej degradacji, im więcej krzemu się w niej znajduje.
      Enevate nie używa spoiwa. Firma opracowała własny sposób na bezpośrednie nakładanie na miedź porowatych warstw krzemu o grubości od 10 do 60 mikrometrów. Na wierzch stosuje się dodatkową warstwę, która chroni krzem przed kontaktem z elektrolitem.
      Cały proces nie wymaga używania krzemu o wysokiej jakości, więc tego typu anoda kosztuje mniej niż anoda grafitowa o identycznej pojemności. Zaś dzięki temu, że stosowany jest krzem, jony litu mogą bardzo szybko się przemieszczać. W ciągu 5 minut można naładować akumulator do 75% pojemności, nie powodując przy tym zbytniego rozszerzania się krzemu.
      Wszystko co potrzebne do wyprodukowania anody można wytwarzać standardowymi metodami przemysłowymi z rolki. Zatem cały proces łatwo jest skalować. Dzięki połączeniu nowej anody z konwencjonalnymi katodami stworzono akumulatory o pojemności do 350 Wh/kg. To o około 30% więcej niż współczesne akumulatory litowo-jonowe.
      Enevate już współpracuje z koncernami motoryzacyjnymi. Jej nowe akumulatory powinny trafić do samochodów elektrycznych w sezonie 2024/2025.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...