Superkondensatorer - super og endda ultra
Spørgsmålet om batterieffektivitet, hastighed, kapacitet og sikkerhed er i øjeblikket ved at blive et af de største globale spørgsmål. I den forstand, at underudvikling på dette område truer stagnation af hele vores tekniske civilisation.
Vi skrev for nylig om eksploderende lithium-ion-batterier i telefoner. Deres stadig utilfredsstillende kapacitet og langsomme opladning har bestemt irriteret Elon Musk eller enhver anden EV-entusiast ved mere end én lejlighed. Vi har hørt om forskellige innovationer på dette område i mange år, men der er endnu ikke noget gennembrud, der ville give noget bedre i hverdagen. Der har dog i et stykke tid været talt meget om, at batterier kan udskiftes med hurtigopladede kondensatorer, eller rettere deres "super" version.
Hvorfor håber almindelige kondensatorer ikke på gennembrud? Svaret er enkelt. Et kilo benzin svarer til cirka 4 kilowatt-timers energi. Batteriet i Tesla-modellen har omkring 30 gange mindre energi. Et kilogram kondensatormasse er kun 0,1 kWh. Der er ingen grund til at forklare, hvorfor konventionelle kondensatorer ikke er egnede til denne nye rolle. Kondensatorkapaciteten af et moderne lithium-ion batteri skulle være flere hundrede gange større.
En superkondensator eller ultrakondensator er en type elektrolytisk kondensator, der sammenlignet med klassiske elektrolytiske kondensatorer har en ekstrem høj elektrisk kapacitans (i størrelsesordenen flere tusinde farad) med en driftsspænding på 2-3 V. Den største fordel ved superkondensatorer er meget korte op- og afladningstider sammenlignet med andre energilagringsenheder (f.eks. batterier). Dette giver dig mulighed for at øge strømforsyningen op til 10 kW pr. kg kondensatorvægt.
En af ultrakondensatormodellerne på markedet.
Præstationer i laboratorier
De seneste måneder har bragt en masse information om nye superkondensatorprototyper. I slutningen af 2016 lærte vi for eksempel, at en gruppe forskere fra University of Central Florida havde skabt ny proces til at skabe superkondensatorer, sparer mere energi og tåler mere end 30. opladnings-/afladningscyklusser. Hvis vi udskiftede batterierne med disse superkondensatorer, ville vi ikke kun være i stand til at oplade en smartphone på få sekunder, men den ville holde til mere end en uges brug, sagde Nitin Choudhary, et medlem af forskerholdet, til mediet. . Forskere i Florida skaber superkondensatorer ud fra millioner af mikroledere, der er coatet i et todimensionelt materiale. Kablets kerner leder elektricitet meget godt, hvilket gør det muligt for kondensatoren at oplade og aflade hurtigt, og det todimensionelle materiale, der dækker dem, gør det muligt at lagre store mængder energi.
Forskere ved University of Teheran i Iran, der producerer porøse kobberstrukturer i ammoniakopløsninger som et elektrodemateriale, har et noget lignende koncept. Briterne vælger til gengæld geler, der ligner dem, der bruges i kontaktlinser. En anden tog polymererne med ind på værkstedet. Forskningen og koncepterne er uendelige rundt om i verden.
Forskere, der deltager i ELEKTROGRAF projekt (Graphene-Based Electrodes for Supercapacitor Applications), finansieret af EU, har arbejdet på masseproduktion af grafenelektrodematerialer og påføring af miljøvenlige ioniske flydende elektrolytter ved stuetemperatur. Det forventer forskerne grafen vil erstatte aktivt kul (AC) bruges i superkondensatorelektroder.
Forskerne her producerede grafitoxider, delte dem i grafenplader og integrerede derefter pladerne i en superkondensator. Sammenlignet med AC-baserede elektroder har grafenelektroder bedre klæbende egenskaber og højere energilagringskapacitet.
Påstigende passagerer - sporvognen lader
Forskningscentre beskæftiger sig med forskning og prototyping, og kineserne har sat superkondensatorer i praksis. Byen Zhuzhou, Hunan-provinsen, afslørede for nylig den første kinesisk fremstillede sporvogn drevet af superkondensatorer (2), hvilket betyder, at den ikke kræver en luftledning. Sporvognen modtager energi fra strømaftagere installeret ved stoppesteder. Fuld opladning tager omkring 30 sekunder, så det sker, mens passagerer stiger ombord og lander. Dette gør det muligt for køretøjet at køre 3-5 km uden ekstern strøm, hvilket er nok til at komme til næste stop. Derudover genvinder den op til 85 % af energien under bremsning.
Mulighederne for praktisk brug af superkondensatorer er talrige - fra energisystemer, brændselsceller, solceller til elektriske køretøjer. For nylig er specialisternes opmærksomhed blevet nittet til brugen af superkondensatorer i hybride elektriske køretøjer. Brændselscellen af polymermembranen oplader en superkondensator, som derefter lagrer elektrisk energi, der bruges til at drive motoren. Hurtige SC opladnings-/afladningscyklusser kan bruges til at udjævne brændselscellens påkrævede spidseffekt, hvilket giver næsten ensartet ydeevne.
Det ser ud til, at vi allerede er på randen af en superkondensatorrevolution. Erfaringen viser dog, at det er værd at begrænse overdreven entusiasme for ikke at blive forvirret og ikke stå med et afladet gammelt batteri i hænderne.
