Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Szwajcarzy stworzyli całkowicie biodegradowalny superkondensator. Będzie zasilał Internet of Things

Recommended Posts

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

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
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Nieprzewidywalność to jeden z problemów trapiących odnawialne źródła energii. Wiatraki i instalacje fotowoltaiczne czasami wytwarzają tak dużo energii, że są problemy z jej odbiorem, innym zaś razem, gdy energia by się przydała, one akurat nie pracują. Problem rozwiązałyby magazyny energii. Jak wynika z analiz magazyny takie musiałyby kosztować nie więcej niż 20 USD za kilowatogodzinę pojemności, by można było zasilać duże obszary wyłącznie energią słoneczną i wiatrową. Obecnie 100-megawatowy magazyn litowo-jonowy kosztuje 405 USD za kilowatogodzinę. Wkrótce ma się to zmienić.
      Donald Sadoway to chemik materiałowy i emerytowany profesor MIT. Jest znanym ekspert w dziedzinie akumulatorów i ekstrakcji metali z rud, autorem wielu ważnych prac na tych polach. W 2010 roku stał się współzałożycielem firmy Ambri, która pracuje nad akumulatorem z ciekłego metalu. Firma informuje, że, w zależności od rodzaju instalacji, już obecnie jej akumulatory kosztują 180–250 USD za kilowatogodzinę pojemności. Do roku 2030 kwota ta ma spaść do 21 USD/kWh. Teraz przyszedł czas na zweryfikowanie tych zapewnień.
      Ambri we współpracy z dostawcą energii Xcel Energy rozpocznie w 2024 roku budowę 300-kilowatowego systemu. Ma on zostać uruchomiony do końca przyszłego roku. Będzie to pierwsza instalacja Ambri na skalę przemysłową.
      Profesor Sadoway wyjaśnia, że niższa cena akumulatorów z płynnym metalem wynika z wykorzystania prostszych materiałów, prostszej zasady działania oraz mniej skomplikowanego projektu. Ponadto takie akumulatory są znacznie bardziej trwałe od litowo-jonowych. Koncepcja akumulatora na ciekłych metalach czyni zeń świetne rozwiązanie dla zastosowań stacjonarnych. Akumulator jest niepalny i jest odporny na spadek wydajności. Mamy dane z tysięcy cykli ładowania/rozładowywania. Wynika z nich, że akumulatory te po 20 latach pracy powinny zachować 95% oryginalnej pojemności, stwierdza uczony.
      Urządzenia firmy Ambri wykorzystują trzy ciekłe warstwy, oddzielone dzięki temu, że mają różną gęstość. Najgęstsza z nich to katoda z ciekłego antymonu. Znajduje się ona na samym dole. Na samej górze zaś jest anoda z mieszaniny wapnia. Warstwy te rozdzielone są elektrolitem z soli chlorku wapnia. Podczas rozładowywania anoda uwalnia jony wapnia, które przemieszczają się przez elektrolit do katody, tworząc tam mieszaninę wapniowo-antymonową. Podczas ładowania zachodzi proces odwrotny. Nie ma membrany, nie ma separatora. Wszystkie te elementy zapewniają prostotę budowy i odporność, cieszy się Sadoway.
      Jeszcze 10 lat temu specjaliści z Ambri eksperymentowali z litem i magnezem w anodzie. Ze względu na koszty zdecydowali się na wapń. To jednak spowodowało, że prace nad akumulatorami znacznie się wydłużyły. Wszystkie te wspaniałe rzeczy, które dotychczas opracowaliśmy na potrzeby akumulatorów litowo-jonowych okazały się w tym przypadku nieprzydatne. Zachodzą tu inne procesy chemiczne, mamy tutaj inny projekt. Musieliśmy więc opracować wszystko od nowa, w tym urządzenia do produkcji naszych akumulatorów, wyjaśnia naukowiec.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowali technologie, które pozwalają uniezależnić się od zagranicznych dostawców drogich metali i grafitu do akumulatorów, spełniają wymogi zielonej chemii, część z nich nie pozostawia śladu węglowego, a jakby tego było mało, prototypowe akumulatory mają parametry porównywalne lub lepsze od już istniejących. Z badań Zespołu Technologii Materiałów i Nanomateriałów Wydziału Chemii UJ, na czele którego stoi profesor Marcin Molenda, wynika, że za pomocą tzw. zielonej chemii można produkować bardziej ekologiczne akumulatory oraz uniezależnić się od rzadkich i szkodliwych dla środowiska materiałów.
      Jedną z technologii opracowanych przez zespół Molendy jest CAG, która pozwala na wytwarzanie materiałów na anody z żelu węglowego. Żel taki (carbogel) pozyskuje się ze skrobi, której źródłem mogą być ziemniaki, ryż czy kukurydza. Skrobię poddaje się żelatynizacji z użyciem wody, a następnie kontrolowanej pirolizie, w której spalane są wydzielające się gazy. Jak zapewniają naukowcy, CAG pozwala całkowicie zastąpić grafit naturalny i syntetyczny, metoda charakteryzuje się zerowym śladem węglowym, oparta jest na bezpiecznym łańcuchu dostaw surowca i nie cierpi na tym wydajność samego urządzenia. Żywotność CAG wynosi ponad 1500 cykli ładowania/rozładowania, a uzyskany tą metodą materiał można zintegrować z dowolnymi nowoczesnymi katodami w akumulatorach LiIon.
      Opracowany carbogel jest odpowiedni do produkcji zielonych ogniw litowo-jonowych o obniżonym śladzie węglowym. Ogromną korzyścią jest przy tym swobodny dostęp do surowca i całkowite uniezależnienie się od zagranicznych dostawców grafitu. CAG wykazuje porównywalną gęstość energii w porównaniu do akumulatorów z naturalnym grafitem, a dodatkowo ma tę przewagę, że pozwala na uzyskanie wyższej mocy, zapewnia profesor Molenda.
      Kolejną z technologii opracowanych na UJ jest LKMNO. Pozwala ona na produkcję wysokonapięciowych katod do akumulatorów litowo-jonowych bez korzystania z kobaltu, z 5-krotnie mniejszą ilością niklu i 2-krotnie niższą zawartością litu w porównaniu do akumulatorów NMC (litowo-niklowo-manganowo-kobaltowych). Również i tutaj wykorzystywana jest zielona chemia o dość niskiej energochłonności całego procesu. Co więcej, podczas produkcji tego typu katody nie powstają odpady płynne i stałe, a gazy są przetwarzane do dwutlenku węgla, azotu i pary wodnej. Katody LKMNO można łączyć z różnymi typami anod – w tym CAG – i współczesnymi elektrolitami. Takie katody szczególnie nadają się do ogniw o dużej mocy i pojemności, np. samochodów elektrycznych.
      Koszt wytworzenia katody LKMNO jest dwukrotnie mniejszy w porównaniu z kosztami produkcji najnowocześniejszych katod klasy NMC, w których jest nikiel, mangan i kobalt. Dodatkową przewagą naszego rozwiązania jest to, iż użyty w akumulatorze lit, którego potrzeba dwukrotnie mniej niż w NMC, jest w pełni efektywny. We współczesnych bateriach litowo-jonowych lit, który jest dość kosztowny, pracuje w około 50 proc. To czyste marnotrawstwo. W modelu LKMNO jest on wykorzystany w 100 procentach, stwierdza profesor Molenda.
      Na anodzie i katodzie się jednak nie kończy. Polscy naukowcy stworzyli też CCL (Carbon Conductive Layer), czyli nanotechnologiczną metodę precyzyjnego pokrywania materiałów aktywnych akumulatora cienka powłoką węgla. Grubość takiej powłoki, liczona w nanometrach, może być dostosowana już na etapie produkcji do przeznaczenia i sposobu działania akumulatora, co pozwala na znaczne zagęszczanie energii. Jednak największym atutem wynalazku jest praktyczne wyeliminowanie ryzyka samozapłonu akumulatora.
      Materiał węglowy dodawany do akumulatorów ma na celu zapewnić odpowiednie przewodnictwo elektryczne. Dotychczas stosowane technologie nie pozwalają jednak w precyzyjny sposób rozmieszczać cząsteczek węglowych pomiędzy ziarnami materiałów aktywnych. W rezultacie do akumulatorów dodawane są znaczne ilości węgla, a im jest go więcej, tym mniejsze są możliwości zagęszczania w nich energii. Ponieważ akumulator podczas pracy podlega wahaniom temperatury, przy nierównomiernie rozmieszczonych cząsteczkach materiału węglowego wzrasta ryzyko uruchomienia nieodwracalnej reakcji samozapłonu akumulatora. Nasza powłoka CCL eliminuje takie ryzyko, ponieważ ziarna materiału aktywnego w akumulatorze są szczelnie pokryte, co skutecznie je od siebie oddziela. Taka bateria, nawet gdy dojdzie w niej do zwarcia, będzie rozładowywać się znacznie wolniej i nie ulegnie samozapłonowi. Powłoka CCL pokrywa na tyle szczelnie i trwale materiał aktywny, że nawet w przypadku, gdy ma on porowatą strukturę, dostaje się ona w zagłębienia, a przy znacznych wahaniach temperatur utrzymuje się ona na swojej pozycji, cieszy się profesor Moleda. Żywotność prototypowych ogniw zbudowanych z użyciem CCL sięgała 3000 cykli.
      Centrum Transferu Technologii UJ poszukuje obecnie inwestora lub producenta, który zbuduje instalację pilotażową i ustandaryzuje produkcję nowego typu ogniw w skali przemysłowej.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Rosnąca popularność samochodów elektrycznych (EV) często postrzegana jako problem dla sieci elektroenergetycznych, które nie są dostosowane do nowego masowego źródła obciążenia. Naukowcy z Uniwersytetu w Lejdzie oraz amerykańskiego Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej podeszli do zagadnienia z innej strony. Z analizy wynika, że w ciągu najbliższych lat EV mogą stać się wielkim magazynem energii ze źródeł odnawialnych, stabilizując energetykę słoneczną i wiatrową.
      Energia z wiatru i słońca to najszybciej rosnące źródła energii. So to jednak źródła niestabilne, nie dostarczają energii gdy wiatr nie wieje, a słońce nie świeci. Z analizy, opublikowanej na łamach Nature Communications, dowiadujemy się, że rolę stabilizatora mogą odegrać samochody elektryczne. Obecnie większość ich właścicieli ładuje samochody w nocy. Autorzy badań uważają, że właściciele takich pojazdów mogliby podpisywać odpowiednie umowy z dostawcami energii. Na jej podstawie dostawca energii sprawowałby kontrolę nad ładowaniem samochodu w taki sposób, by z jednej strony zapewnić w sieci odpowiednią ilość energii, a z drugiej – załadować akumulatory do pełna. Właściciel samochodu otrzymywałby pieniądze za wykorzystanie jego pojazdu w taki sposób, wyjaśnia główny autor badań, Chengjian Xu.
      Co więcej, gdy pojemność akumulatorów zmniejsza się do 70–80 procent pojemności początkowej, zwykle nie nadają się one do zastosowań w transporcie. Jednak nadal przez wiele lat mogą posłużyć do stabilizowania sieci elektroenergetycznych. Dlatego też, jeśli kwestia taka zostanie uregulowana odpowiednimi przepisami, akumulatory takie mogłyby jeszcze długo służyć jako magazyny energii.
      Z wyliczeń holendersko-amerykańskiego zespołu wynika, że do roku 2050 samochody elektryczne oraz zużyte akumulatory mogą stanowić wielki bank energii o pojemności od 32 do 62 TWh. Tymczasem światowe zapotrzebowanie na krótkoterminowe przechowywanie energii będzie wówczas wynosiło od 3,4 do 19,2 TWh. Przeprowadzone analizy wykazały, że wystarczy, by od 12 do 43 procent właścicieli samochodów elektrycznych podpisało odpowiednie umowy z dostawcami energii, a świat zyska wystarczające możliwości przechowywania energii. Jeśli zaś udałoby się wykorzystać w roli magazynu energii połowę zużytych akumulatorów, to wystarczy, by mniej niż 10% kierowców podpisało umowy z dostawcami energii.
      Już w roku 2030 w wielu regionach świata EV i zużyte akumulatory mogą zaspokoić popyt na krótkoterminowe przechowywanie energii.
      Oczywiście wiele tutaj zależy od uregulowań prawnych oraz od tempa popularyzacji samochodów elektrycznych w różnych regionach świata. Autorzy badań zauważają też, że wielką niewiadomą jest tempo degradacji akumulatorów przyszłości, które będzie zależało m.in. od postępu technologicznego, czy też tempo rozwoju systemów zarządzania energią. Nie wiadomo także, czy nie zajdą radykalne zmiany w samym systemie transportowym. Nie można wykluczyć np. zmiany przyzwyczajeń i rozpowszechnienia się komunikacji zbiorowej czy systemów wspólnego użytkowania pojazdów, na dostępność samochodów i akumulatorów może też wpłynąć rozpowszechnienie się pojazdów autonomicznych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W epoce światowej gospodarki, rozwiniętych i skomplikowanych łańcuchów dystrybucji oraz przemysłowej produkcji żywności, ocena wpływu danego produktu żywnościowego na środowisko jest trudna. Kalifornijscy naukowcy stworzyli właśnie światową mapę takie wpływu, obejmującą wszystkie lądy i oceany. Coraz więcej osób zwraca uwagę na to, jakie są konsekwencje środowiskowe produkcji spożywanej przez nich żywności, mówi ekolog morski Ben Halpern z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB).
      Naukowiec przypomina, że dotychczas ukazywały się podobne opracowania. O ile jednak mogliśmy się z nich dowiedzieć, jak duże zanieczyszczenie wody czy emisja gazów cieplarnianych wiążą się z wytworzeniem kilograma danego produktu, to nie był to obraz zbyt precyzyjny. W różnych miejscach na świecie produkuje się bowiem różne rodzaje żywności i wykorzystuje przy tym różne metody. Dlatego też konieczna była ocena rzeczywistego wpływu na lokalne środowisko. Tę lukę w wiedzy postanowili wypełnić naukowcy z National Center for Ecological Analysis & Synthesis na UCSB.
      Kumulatywna presja produkcji żywności jest bardziej skoncentrowana niż sądzono. Aż 92% tego wpływu ma miejsce na 10% powierzchni Ziemi, mówi Melanie Frazier. Ponadto za około 25% presji środowiskowej odpowiada produkcja mleka i wołowiny. A z badań wynika, że niemal 50% obciążenia środowiska przez produkcję żywności ma miejsce w zaledwie pięciu krajach. Są to Indie, Chiny, USA, Brazylia i Pakistan.
      Naukowcy wzięli też pod uwagę wydajność produkcji każdego z rodzajów żywności, ale uwzględnili przy tym różnice pomiędzy krajami. Wydajność środowiskowa konkretnego rodzaju żywności jest zróżnicowana przestrzennie, przez co ranking produktów żywnościowych znacząco się różni pomiędzy poszczególnymi krajami. Ważne jest nie tylko co jemy, ale i gdzie to zostało wyprodukowane, dodaje współautorka badań profesor Halley Froehlich. Ha przykład dzięki technologiom, które zmniejszają emisję gazów cieplarnianych i zwiększają wydajność z hektara soja ze Stanów Zjednoczonych (to 1. producent soi na świecie) obciąża środowisko ponad 2-krotnie mniej niż soja z Indii (5. producent soi).
      Naukowcy uwzględnili też wzajemne relacja pomiędzy lądami a oceanami. Na przykład hodowla świń i drobiu obciąża środowisko morskie, gdyż zwierzęta te są żywione produktami pochodzącymi z sardynek czy śledzi. Z kolei farmy morskie obciążają środowisko lądowe, ponieważ w hodowli ryb wykorzystuje się żywność wytworzoną na lądach.
      Trzeba też zauważyć, że ocena łącznej presji środowiskowej może dawać inne wyniki niż każdego z elementu z osobna. Na przykład o ile hodowla krów na pastwiskach bardzo obciąża środowisko ze względu na rozległość terenów przeznaczanych na pastwiska, to łączna presja farm hodowlanych świń, które wytwarzają olbrzymią ilość zanieczyszczeń i zużywają nieco więcej wody niż hodowla krów, jest większa.
      Biorąc pod uwagę łączną presję środowiskową pięć najbardziej zanieczyszczających produktów to wieprzowina, wołowina, ryż, pszenica i rośliny oleiste.
      Wiele lat temu zrezygnowałem z jedzenia mięsa zwierząt lądowych, gdyż chciałem zmniejszyć swój wpływ na środowisko. Ale potem pomyślałem, że skoro jestem naukowcem, to powinienem podejmować takie decyzje na podstawie danych naukowych. Dlatego chciałem przeprowadzić badania tego typu. I teraz, gdy mamy wyniki, widzę, że niektóre ryby i owoce morza bardziej obciążają środowisko niż drób. Więc znowu jem drób, a wyeliminowałem takie produkty jak dorsz poławiany przez trawlery czy plamiak, przyznaje Halpern.
      Szczegóły pracy zostały opublikowane na łamach Nature Sustainability.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Dodanie cienkiej warstwy niklu do akumulatorów znakomicie skraca czas ładowania, informują naukowcy z Pennsylvania State University. Specjaliści uważają, że jeśli na rynek trafiłyby akumulatory, które są lżejsze i można je znacznie szybciej ładować, klienci chętniej kupowaliby samochody elektryczne, a to z kolei doprowadziłoby do spadku ich ceny i pojawienia się kolejnych chętnych do ich zakupu.
      Uczeni eksperymentowali z litowo-jonowym akumulatorem, który na pojedynczym ładowaniu pozwalał na przejechanie do 560 kilometrów. Gęstość energii takiego urządzenia wynosiła 256 watogodzin na kilogram. Dzięki dodaniu folii z niklu akumulator można było w ciągu zaledwie 11 minut załadować w 70%, co pozwoliło na przejechanie 400 kilometrów, a po 12 minutach był on załadowany w 75%, dzięki czemu można było przejechać 440 km.
      Nasza technologia pozwala na budowę mniejszych, szybciej ładujących się akumulatorów. Jeśli mamy samochód z akumulatorami pozwalającymi na przejechanie 320 kilometrów na pojedynczym ładowaniu, możemy podjechać na stację, podłączyć samochód, pójść do toalety, a po 10 minutach nasz pojazd jest gotowy do przejechania kolejnych 320 km. W ten sposób problem zasięgu znika, mówi jeden z autorów badań, inżynier Chao-Yang Wang.
      Jednym z najpoważniejszych wyzwań stojących przed inżynierami specjalizującymi się w projektowaniu i budowie akumulatorów litowo-jonowych jest utrzymanie ich odpowiedniej temperatury. Najlepiej sprawują się one, gdy są dość ciepłe, ale nie za ciepłe. W akumulatorach stosuje się więc systemy chłodzenia i ogrzewania, które jednak zużywają sporo energii i nie działają zbyt szybko.
      Uczeni z Pennsylvanii od lat eksperymentują z folią, która miałaby pomóc ogrzać akumulator do odpowiedniej temperatury.
      Podczas swoich najnowszych eksperymentów byli w stanie ładować akumulator od około 70% pojemności w około 10 minut. Gdy stosowali szybkie ładowanie do 75% pojemności, urządzenie wytrzymało ponad 900 cykli ładowania/rozładowywania, co pozwalało na przejechanie na nim w sumie 402 000 kilometrów. Gdy zaś stosowali szybkie ładowanie do 70% pojemności, akumulator wytrzymywał około 2000 cykli ładowania, co pozwalało na przejechanie około 804 000 kilometrów.
      Wang zwraca uwagę, że obecnie stosowane akumulatory po 10 minutach ładowania napełniają się do około 25% pojemności. Urządzenia, nad którymi pracują na Pennsylvania State University ładują się w tym czasie do 75% pojemności. To zaś oznacza, że w samochodach można by stosować mniej akumulatorów, zatem byłyby one tańsze, a zasięg na pojedynczym szybkim ładowaniu byłby nie tylko większy, ale i satysfakcjonujący dla kierowcy. Wang zapowiada, że w przyszłości chce opracować akumulator, który będzie można załadować do 80% pojemności w ciągu 5 minut. To zaś będzie oznaczało, że pod względem tempa ładowania i zasięgu samochody elektryczne dorównają pojazdom spalinowym.
      Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach Nature.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...