Υπερπυκνωτές - σούπερ και ακόμη και εξαιρετικά
Το ζήτημα της απόδοσης, της ταχύτητας, της χωρητικότητας και της ασφάλειας της μπαταρίας γίνεται πλέον ένα από τα κύρια παγκόσμια προβλήματα. Με την έννοια ότι η υπανάπτυξη σε αυτόν τον τομέα απειλεί να μειώσει ολόκληρο τον τεχνικό μας πολιτισμό.
Πρόσφατα γράψαμε για την έκρηξη των μπαταριών ιόντων λιθίου στα τηλέφωνα. Η ακόμα μη ικανοποιητική χωρητικότητά τους και η αργή φόρτισή τους έχουν σίγουρα ενοχλήσει τον Elon Musk ή οποιονδήποτε άλλο λάτρη των ηλεκτρικών οχημάτων περισσότερες από μία φορές. Εδώ και πολλά χρόνια ακούμε για διάφορες καινοτομίες σε αυτόν τον τομέα, αλλά δεν υπάρχει ακόμα μια σημαντική ανακάλυψη που θα έδινε κάτι καλύτερο στην καθημερινή χρήση. Ωστόσο, εδώ και καιρό γίνεται πολύς λόγος για το γεγονός ότι οι μπαταρίες μπορούν να αντικατασταθούν με πυκνωτές ταχείας φόρτισης ή μάλλον με την «σούπερ» εκδοχή τους.
Γιατί οι συνηθισμένοι πυκνωτές δεν ελπίζουν σε μια σημαντική ανακάλυψη; Η απάντηση είναι απλή. Ένα κιλό βενζίνης είναι περίπου 4. κιλοβατώρες ενέργειας. Η μπαταρία στο μοντέλο Tesla έχει περίπου 30 φορές λιγότερη ενέργεια. Ένα κιλό μάζας πυκνωτή είναι μόνο 0,1 kWh. Δεν χρειάζεται να εξηγήσουμε γιατί οι συνηθισμένοι πυκνωτές δεν είναι κατάλληλοι για έναν νέο ρόλο. Η χωρητικότητα μιας σύγχρονης μπαταρίας ιόντων λιθίου θα πρέπει να είναι αρκετές εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη.
Ένας υπερπυκνωτής ή υπερπυκνωτής είναι ένας τύπος ηλεκτρολυτικού πυκνωτή που, σε σύγκριση με τους κλασικούς ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, έχει εξαιρετικά υψηλή ηλεκτρική χωρητικότητα (της τάξης πολλών χιλιάδων φαράντ), με τάση λειτουργίας 2-3 V. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των υπερπυκνωτών είναι πολύ σύντομοι χρόνοι φόρτισης και εκφόρτισης σε σύγκριση με άλλες συσκευές αποθήκευσης ενέργειας (π.χ. μπαταρίες). Αυτό επιτρέπει την αύξηση της ισχύος μέχρι 10 kW ανά κιλό βάρους πυκνωτή.
Ένα από τα μοντέλα υπερπυκνωτών που διατίθενται στην αγορά.
Επιτεύγματα στα εργαστήρια
Οι τελευταίοι μήνες έφεραν πολλές πληροφορίες για νέα πρωτότυπα υπερπυκνωτών. Στα τέλη του 2016, μάθαμε, για παράδειγμα, ότι μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο της Κεντρικής Φλόριντα δημιούργησε νέα διαδικασία για τη δημιουργία υπερπυκνωτών, εξοικονομώντας περισσότερη ενέργεια και αντέχοντας περισσότερα από 30 XNUMX. κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης. Εάν αντικαθιστούσαμε τις μπαταρίες με αυτούς τους υπερπυκνωτές, όχι μόνο θα μπορούσαμε να φορτίσουμε ένα smartphone σε δευτερόλεπτα, αλλά αυτό θα ήταν αρκετό για περισσότερο από μία εβδομάδα χρήσης, δήλωσε στα μέσα ενημέρωσης ο Nitin Chowdhary, μέλος της ερευνητικής ομάδας. . Οι επιστήμονες της Φλόριντα δημιουργούν υπερπυκνωτές από εκατομμύρια μικροσύρματα επικαλυμμένα με ένα δισδιάστατο υλικό. Τα νήματα του καλωδίου είναι πολύ καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού, επιτρέποντας γρήγορη φόρτιση και εκφόρτιση του πυκνωτή και το δισδιάστατο υλικό που τα καλύπτει επιτρέπει την αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας.
Οι επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Τεχεράνης του Ιράν, οι οποίοι παράγουν πορώδεις δομές χαλκού σε διαλύματα αμμωνίας ως υλικό ηλεκτροδίων, ακολουθούν μια κάπως παρόμοια ιδέα. Οι Βρετανοί, με τη σειρά τους, επιλέγουν τζελ όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στους φακούς επαφής. Κάποιος άλλος πήγε τα πολυμερή στο συνεργείο. Η έρευνα και οι έννοιες είναι ατελείωτες σε όλο τον κόσμο.
Επιστήμονες που ασχολούνται με έργο ΗΛΕΚΤΡΟΓΡΑΦΟΣ (Graphene-Based Electrodes for Supercapacitor Applications), που χρηματοδοτείται από την ΕΕ, εργάζεται για τη μαζική παραγωγή υλικών ηλεκτροδίων γραφενίου και την εφαρμογή φιλικών προς το περιβάλλον ιοντικών υγρών ηλεκτρολυτών σε θερμοκρασία δωματίου. Οι επιστήμονες το περιμένουν Το γραφένιο θα αντικαταστήσει τον ενεργό άνθρακα Το (AC) χρησιμοποιείται στα ηλεκτρόδια των υπερπυκνωτών.
Οι ερευνητές παρήγαγαν οξείδια γραφίτη εδώ, τα χώρισαν σε φύλλα γραφενίου και στη συνέχεια ενσωμάτωσαν τα φύλλα σε έναν υπερπυκνωτή. Σε σύγκριση με τα ηλεκτρόδια AC, τα ηλεκτρόδια γραφενίου έχουν καλύτερες συγκολλητικές ιδιότητες και μεγαλύτερη ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας.
Επιβίβαση επιβατών - το τραμ φορτίζει
Τα ερευνητικά κέντρα ασχολούνται με την έρευνα και τη δημιουργία πρωτοτύπων, και οι Κινέζοι έχουν εφαρμόσει τους υπερπυκνωτές στην πράξη. Η πόλη Zhuzhou, στην επαρχία Χουνάν, παρουσίασε πρόσφατα το πρώτο τραμ κινεζικής κατασκευής που τροφοδοτείται από υπερπυκνωτές (2), πράγμα που σημαίνει ότι δεν απαιτεί εναέρια γραμμή. Το τραμ τροφοδοτείται από παντογράφους που είναι εγκατεστημένοι σε στάσεις. Η πλήρης φόρτιση διαρκεί περίπου 30 δευτερόλεπτα, επομένως πραγματοποιείται κατά την επιβίβαση και αποβίβαση των επιβατών. Αυτό επιτρέπει στο όχημα να διανύσει 3-5 km χωρίς εξωτερική τροφοδοσία, κάτι που είναι αρκετό για να φτάσει στην επόμενη στάση. Επιπλέον, ανακτά έως και 85% της ενέργειας κατά το φρενάρισμα.
Οι δυνατότητες πρακτικής χρήσης υπερπυκνωτών είναι πολλές - από ενεργειακά συστήματα, κυψέλες καυσίμου, ηλιακές κυψέλες μέχρι ηλεκτρικά οχήματα. Πρόσφατα, η προσοχή των ειδικών έχει τραβήξει τη χρήση υπερπυκνωτών σε υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα. Μια κυψέλη καυσίμου με διάφραγμα πολυμερούς φορτίζει έναν υπερπυκνωτή, ο οποίος στη συνέχεια αποθηκεύει την ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία ενός κινητήρα. Οι γρήγοροι κύκλοι φόρτισης/εκφόρτισης του SC μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξομάλυνση της απαιτούμενης μέγιστης ισχύος της κυψέλης καυσίμου, παρέχοντας σχεδόν ομοιόμορφη απόδοση.
Φαίνεται ότι βρισκόμαστε ήδη στο κατώφλι της επανάστασης των υπερπυκνωτών. Η εμπειρία δείχνει, ωστόσο, ότι αξίζει να συγκρατήσετε τις υπερβολές του ενθουσιασμού για να μην μπερδευτείτε και να μην μείνετε με μια αποφορτισμένη παλιά μπαταρία στα χέρια σας.
