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
      Naukowcy informują o zidentyfikowaniu najstarszego miejsca, w którym człowiek zanieczyścił rtęcią siebie i środowisko naturalne. Zespół specjalistów przebadał kości 370 osób z 50 grobów znalezionych na 23 stanowiskach archeologicznych na południu Hiszpanii i Portugalii. Szczątki pochodzą z okresu 5000 lat, począwszy od neolitu. Efektem pracy jest opublikowany na łamach Journal of Osteoarcheology artykuł The use and abuse of cinnabar in Late Neolithic and Copper Age Iberia.
      Rtęć to niezwykle niebezpieczny pierwiastek. Światowa Organizacja Zdrowia wymienia go wśród 10 największych zagrożeń dla współczesnego zdrowia publicznego. Uczeni z z Hiszpanii, Portugalii Brazylii i USA informują, że najwyższy poziom ekspozycji ludzi na działanie rtęci miał miejsce w epoce miedzi, 2900–2600 lat przed naszą erą. Wówczas to bardzo rozpowszechniło się użycie cynobru, naturalnie występującego minerału zawierającego siarczek rtęci. Był on wykorzystywany w roli barwnika, któremu przypisywano znacznie symboliczne i religijne.
      Największa na świecie kopalnia cynobru, wpisana na Listę Światowego Dziedzictwa UNESCO, znajduje się w Almadén w Hiszpanii. Prace wydobywcze rozpoczęto tam już w neolicie, przed 7000 lat. Do początku epoki miedzi, przed 5000 lat, cynober stał się bardzo pożądanym cennym materiałem. W Portugalii i Andaluzji spotykamy groby ozdobione tym barwnikiem. Był używany zarówno do dekorowania samych ścian, jak i malowania figurek czy przedmiotów składanych ze zmarłymi. Miał znaczenie symboliczne, ezoteryczne. Tak powszechne używanie cynobru musiało oznaczać, że sporo osób było narażonych na kontakt z niebezpiecznym poziomem rtęci. Sproszkowany cynober można było przypadkiem wchłonąć przez drogi oddechowe czy przenieść do ust wraz z pożywieniem.
      I rzeczywiście, badania kości niektórych zmarłych wykazały, że doszło w nich do koncentracji rtęci rzędu 400 ppm (części na milion). O tym, jak olbrzymia to wartość niech świadczy fakt, że WHO uznaje, iż bezpieczny poziom rtęci we włosach nie powinien przekraczać 2 ppm.
      Rtęć musiała powodować u wielu z tych osób poważne skutki zdrowotne, a poziom 400 ppm w organizmie jest tak duży, że nie można wykluczyć celowego spożywania lub wdychania sproszkowanego cynobru. Praktyki takie mogły mieć związek z symbolicznym i rytualnym znaczeniem, jaki nadawano barwnikowi. Autorzy badań wykluczają bowiem, by naturalna ekspozycja na rtęć w środowisku – na przykład na rtęć zawartą w żywności – mogła skutkować tak wielką jej koncentracją w organizmie.
      Pod koniec epoki miedzi i na początku epoki brązu użycie cynobru na badanym obszarze znacznie się zmniejsza, do tego stopnia, że znika on z wielu miejsc, w których wcześniej był rozpowszechniony. Barwnik jednak był popularny przez kolejne tysiące lat. Znajdziemy go w sztuce starożytnego Rzymu, manuskryptach średniowiecza czy renesansowym malarstwie. Do tego jednak czasu cynober produkowano w procesie chemicznym, gdyż znano niebezpieczeństwa związane z jego wydobyciem. Nadal był on toksyczny, gdyż do produkcji używana była rtęć.

      « powrót do artykułu
    • 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
      Gdy kontenerowce, tankowce i inne wielkie jednostki kończą służbę i są rozbierane, pojawia się problem olbrzymich zanieczyszczeń. Jest on tym większy, że coraz częściej tego typu jednostki kończą swój żywot w krajach, w których brak jest przepisów dotyczących ochrony środowiska. Właściciele takich jednostek, by móc tanio i ze szkodą dla nas wszystkich je zezłomować, rejestrują statki pod tanimi banderami.
      Od 2002 roku gwałtownie rośnie liczba statków zarejestrowanych pod tanią banderą. Jednostki wybudowane i należące do przedsiębiorstw z UE, USA, Korei Południowej czy Japonii, pływają pod banderami innych krajów po to, by można je było w nich złomować tam, gdzie brak przepisów o ochronie środowiska czy bezpieczeństwie. Analizy dotyczące złomowania statków w latach 2014–2018 wykazały, że mimo iż kraje Unii Europejskiej wraz z USA, Koreą Południową i Japonią kontrolują zdecydowaną większość floty handlowej i floty tankowców, to aż 80% tych jednostek zostało zezłomowanych w zaledwie trzech krajach: Indiach, Pakistanie i Bangladeszu.
      Badania przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Morskiego w Szanghaju wykazały, że standardową praktyką firm z UE jest rejestrowanie należących doń statków pod tanimi banderami. Prawo Unii Europejskiej wymaga, by statki, które zarejestrowane są w jednym z krajów UE były złomowane w stoczniach zatwierdzonych przez UE. Bogate europejskie przedsiębiorstwa, chcąc zaoszczędzić na kosztach złomowania, rejestrują swoje statki głównie na Komorach, Palau i Bahamach, dzięki czemu mogą je złomować w Bangladeszu, Indiach czy Pakistanie, powodując olbrzymie zanieczyszczenie oceanów. O skali problemu może świadczyć fakt, że w samym tylko roku 2019 firmy z UE oddały na złom statki o łącznym tonażu wynoszącym 2.841.305 ton. W UE zarejestrowane były jednostki o tonażu 94.262 ton, z czego w europejskich stoczniach zezłomowano statki 25.497 ton. Na tle UE znacznie lepiej wypadają Stany Zjednoczone. Amerykańskie firmy pozbyły się w 2019 roku statków o łącznym tonażu 954.912 ton, z czego 214.271 ton zarejestrowane było w USA, a do amerykańskich stoczni trafiło 141.922 tony.
      Firmy z UE szczególnie upodobały sobie tanie bandery i możliwość złomowania statków bez względu na koszty środowiskowe. W latach 2002–2019 odsetek statków należących do firm z UE, a zarejestrowanych pod tanimi banderami wzrósł z 46 do 96 procent. Innymi słowy, europejskie firmy rejestrują pod tanimi banderami niemal wszystkie nowe jednostki.
      Wszelkie konwencje międzynarodowe dotyczące ograniczeń czy zakazu wysyłania niebezpiecznych odpadów z krajów bogatszych do uboższych są w obliczu takich działań nieefektywne. Złomowanie statków w krajach, gdzie nie ma odpowiednich przepisów, wiąże się z uwalnianiem do środowiska azbestu, rtęci, ołowiu oraz pestycydów. Autorzy jednego z badań szacują, że do roku 2027 niemal 5000 pracowników indyjskich stoczni zajmujących się złomowaniem statków umrze z powodu międzybłoniaka, nowotworu powodowanego przez azbest.
      Działania wielkich firm powodują, że wiele traktatów międzynarodowych nie działa, bo kraje tanich bander nie mają interesu w ich przestrzeganiu. Ponadto w krajach, gdzie złomuje się takie jednostki, zdrowie pracowników jest ignorowane, mówi główny autor badań, Zheng Wan.
      Właściciele wielkich firm z bogatych krajów działają niemoralnie, obchodząc prawo międzynarodowe i narażając robotników z biednych krajów na poważne konsekwencje zdrowotne, dodaje John Cheerie z Institute of Occupational Medicine w Edynburgu.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      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
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...