5. februarja, 2021

Superkondenzatorji izzivajo baterije

Slike LOGOTIPI Svet elektronike color 300x92 - Superkondenzatorji izzivajo baterijeSkupini, ki je sodelovala z Rolandom Fischerjem, profesorjem anorganske in kovinsko-organske kemije na Tehniški univerzi v Münchnu (TUM), je uspelo razviti nov, izredno učinkovit superkondenzator. Osnova naprave za shranjevanje energije je nov, zmogljiv in tudi trajnosten hibridni material grafen, ki ima po podatkih zmogljivosti, primerljive z baterijami, ki se uporabljajo v današnjem času.

Zmogljiv grafenski hibridni material za visoko učinkovite superkondenzatorje

3 1 300x143 - Superkondenzatorji izzivajo baterije

Grafenski hibridi (levo) iz kovinskih organskih struktur (MOF) in grafenska kislina sta odlična pozitivna elektroda za superkondenzatorje, ki tako dosežejo energijsko gostoto, podobno kot pri nikelj-kovinsko-hidridnih baterijah. Avtor: J. Kolleboyina / IITJ

Običajno je shranjevanje energije povezano z baterijami in akumulatorji, ki zagotavljajo energijo za napajanje elektronskih naprav. Vendar pa so v prenosnih računalnikih, fotoaparatih, mobilnih telefonih ali vozilih v današnjem času vse pogosteje nameščeni tako imenovani superkondenzatorji.

Za razliko od baterij lahko hitro shranijo velike količine energije in jo enako hitro tudi oddajo. Če na primer ob prihodu na postajo vlak zavira, lahko superkondenzatorji shranijo energijo in jo ponovno zagotovijo, ko vlak med speljevanjem s postaje nemudoma potrebuje veliko energije.

Vendar pa je bila vse doslej pri superkondenzatorjih težava zaradi pomanjkanja energijske gostote. Medtem, ko litijevi akumulatorji dosežejo energijsko gostoto do 265 kilovatnih ur (KW/h), so superkondenzatorji doslej lahko zagotavljali le desetino tega.

Trajnostni material zagotavlja visoko zmogljivost

Skupina, ki sodeluje s kemikom na TUM, Rolandom Fischerjem, je zdaj razvila nov, močan in trajnosten grafenski hibridni material za superkondenzatorje. Uporabljen je kot pozitivna elektroda v napravi za shranjevanje energije. Raziskovalci so jo kombinirali z že preizkušeno negativno elektrodo na osnovi titana in ogljika.

Nova naprava za shranjevanje energije ne le, da doseže gostoto energije do 73 Wh/kg, kar je približno enakovredno gostoti energije nikelj-kovinsko-hidridne baterije, ampak tudi deluje veliko bolje kot večina drugih superkondenzatorjev pri gostoti moči 16 kW/kg. Skrivnost novega superkondenzatorja je kombinacija različnih materialov – zato kemiki ta superkondenzator označujejo kot “asimetričnega”.

Hibridni materiali: vzor je narava

Raziskovalci stavijo na novo strategijo za premagovanje omejitev zmogljivosti standardnih materialov z uporabo hibridnih materialov. “Narava je polna zelo kompleksnih, evolucijsko optimiziranih hibridnih materialov – odlična primera sta na primer kosti in zobje. Njihove mehanske lastnosti, kot sta trdota in elastičnost, so bile po naravi optimizirane s kombinacijo različnih materialov,” pravi Roland Fischer.

Raziskovalna skupina je abstraktno idejo kombiniranja osnovnih materialov prenesla na superkondenzatorje. Kot osnovo so uporabili novo pozitivno elektrodo enote za shranjevanje energije s kemično modificiranim grafenom in jo kombinirali z nano strukturiranim kovinskim organskim ogrodjem, tako imenovanim MOF (Metal Organic Framework).

Zmogljiv in stabilen

Za delovanje grafenskih hibridov so po eni strani odločilne velika specifična površina in nadzorovane velikosti por, po drugi strani pa visoka električna prevodnost. “Visokozmogljive lastnosti materiala temeljijo na kombinaciji mikroporoznih MOF s prevodno grafenovo kislino,” pojasnjuje prvi avtor Jayaramulu Kolleboyina, nekdanji gostujoči znanstvenik, ki sodeluje z Rolandom Fischerjem.

Za dobre superkondenzatorje je pomembna velika površina. Omogoča namreč zbiranje večjega števila nosilcev naboja znotraj materiala, to pa je osnovno načelo za shranjevanje električne energije.

S spretnim oblikovanjem materiala so raziskovalci dosegli izboljšanje povezovanja grafenske kisline z MOF. Nastali hibridni MOF imajo zelo veliko notranjo površino do 900 kvadratnih metrov na gram in so kot pozitivne elektrode v superkondenzatorju zelo zmogljivi.

Dolgoročna stabilnost

Vendar pa to ni edina prednost novega materiala. Za doseganje kemijsko stabilnega hibrida potrebujemo med komponentami močne kemijske vezi. Po Fischerjevih besedah so vezi očitno enake tistim med aminokislinami v beljakovinah: “Dejansko smo grafenovo kislino povezali z MOF-aminokislino, s čimer je bila ustvarjena neke vrste peptidna vez.”

Stabilna povezava med nanostrukturiranimi komponentami ima velike prednosti v smislu dolgoročne stabilnosti: bolj stabilne so vezi, več ciklov polnjenja in praznjenja je mogoče doseči brez večjega poslabšanja zmogljivosti.

Za primerjavo lahko vzamemo klasični litijev akumulator, ki ima življenjsko dobo približno 5000 ciklov. Nova celica, ki so jo razvili raziskovalci TUM, ohranja skoraj 90-odstotkov svoje zmogljivost tudi po 10.000 ciklih.

Mednarodno omrežje strokovnjakov

Fischer ob tem poudarja, kako pomembno je bilo pri razvoju tega novega superkondenzatorja neovirano mednarodno sodelovanje raziskovalcev. V skladu z načeli mednarodnega sodelovanja je ekipo sestavil Jayaramulu Kolleboyina. Bil je gostujoči znanstvenik iz Indije, ki ga je povabila fundacija Aleksandra von Humboldta in ki je trenutno vodja oddelka za kemijo na novoustanovljenem indijskem tehnološkem inštitutu v Džamuju.

“Naša ekipa se je povezala tudi s strokovnjaki za elektrokemijo in raziskave baterij v Barceloni ter strokovnjaki za derivate grafena iz Češke,” poroča Fischer. “Poleg tega v projektu sodelujejo tudi partnerji iz ZDA in Avstralije. To čudovito mednarodno sodelovanje za prihodnost ogromno obeta.”

Vir: https://www.tum.de/nc/en/about-tum/news/press-releases/details/36404/

293_2021