211service.com
Grafen dla Zielonej Sieci
Zintegrowanie z siecią elektryczną nieregularnych źródeł energii odnawialnej, takich jak wiatr i słońce, przy jednoczesnym utrzymaniu stałej mocy wyjściowej, będzie dużym wyzwaniem. Urządzenia do magazynowania energii zwane ultrakondensatorami mogą pomóc w przechowywaniu nagłych skoków mocy. Jednak wiele będzie zależeć od opracowania nowej generacji ultrakondensatorów o pojemności wystarczającej do zaspokojenia prawdopodobnego popytu.
Moc grafenu: Graphene Energy ma nadzieję, że elektrody grafenowe, takie jak ta, zwiększą pojemność magazynowania energii i moc wyjściową ultrakondensatorów. Ten obraz, który przedstawia krawędź elektrody grafenowej, został wykonany za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego.
Energia grafenu , startup z siedzibą w Austin w Teksasie ma nadzieję, że rozwiązaniem będą ultrakondensatory z elektrodami wykonanymi z grafenu, czyli warstw węgla o grubości zaledwie jednego atomu. Pojemność ultrakondensatora jest ograniczona tylko powierzchnią jego elektrod, a grafen oferuje sposób na znaczne zwiększenie dostępnego obszaru.
Ultrakondensatory magazynują energię elektrostatycznie, a nie chemicznie, jak w akumulatorach. Podczas ładowania elektrony trafiają na powierzchnię jednej elektrody, a na powierzchni drugiej tworzą się dziury elektronowe. To przyciąga jony dodatnie w elektrolicie do pierwszej elektrody, a jony ujemne do drugiej. Natomiast reakcje chemiczne stosowane do ładowania akumulatorów ograniczają prędkość, z jaką mogą być ładowane i ostatecznie powodują rozpad materiałów elektrod. Ultrakondensatory można ładować i rozładowywać bardzo szybko, w ciągu kilku sekund, a nie minut, a przed zużyciem można je ładować miliony razy.
Jednak ultrakondensatory dostępne obecnie na rynku nie są w stanie dopasować akumulatorów pod względem gęstości energii, dlatego są one najczęściej używane w systemach hybrydowych obok akumulatorów lub w zastosowaniach niszowych. Ponieważ urządzenia te są w stanie poradzić sobie z szybkim napływem dużych ilości energii, są często wykorzystywane do odzyskiwania energii – na przykład, gdy autobus miejski hamuje lub suwnica opuszcza swój ładunek. Zastosowane w ten sposób ultrakondensatory zmniejszyły o 40 procent energię potrzebną niektórym żurawiom eksploatowanym w japońskich portach. Kilka elektronarzędzi, w tym wiertarka elektryczna, korzysta z możliwości szybkiego ładowania ultrakondensatorów.
Graphene Energy ma nadzieję otworzyć nowe zastosowania ultrakondensatorów poprzez opracowanie urządzeń o znacznie większej mocy wyjściowej. Te ultrakondensatory można by prawdopodobnie wykorzystać do regulacji przepięć w sieci elektrycznej lub do zasilania hybrydowych pojazdów transportowych. Firma ma 500 000 USD na finansowanie nasion na komercjalizację ultrakondensatorów grafenowych opracowanych przez Rodney Ruoff , profesor inżynierii mechanicznej na University of Texas w Austin. Ruoff jest współzałożycielem Graphene Energy, a także pełni funkcję doradcy technologicznego firmy.
Istniejące ultrakondensatory wykorzystują elektrody wykonane z węgla aktywnego – porowatego materiału podobnego do węgla drzewnego, który ma bardzo dużą powierzchnię. Magazyny węgla aktywnego ładują się w porach przypominających tunel, a jego podróż do środka i na zewnątrz zajmuje około jednej sekundy. Jest to bardzo szybkie w porównaniu z najszybszymi akumulatorami, ale węgiel aktywny ma ograniczoną moc wyjściową.
Aby wytworzyć grafen do swoich elektrod, zespół Ruoffa zaczyna od umieszczenia tlenku grafitu w roztworze wodnym. Powoduje to płatkowanie materiału w cienkie jak atom arkusze tlenku grafenu. Następnie atomy tlenu są usuwane, pozostawiając grafen. Do tej pory laboratorium Ruoffa wyprodukowało ultrakondensatory grafenowe, które dorównują wydajnością tym wykonanym przy użyciu węgla aktywnego. Mówi, że dzięki dalszym udoskonaleniom powinny one przewyższać węgiel aktywny, chociaż kroki, jakie podejmuje jego firma, aby to osiągnąć, pozostają tajemnicą.
Na podstawie opisu ultrakondensatorów grafenowych opublikowanego we wrześniu ubiegłego roku w czasopiśmie Litery nano , John Miller z JME, firmy badawczo-konsultingowej specjalizującej się w kondensatorach elektrochemicznych, mówi, że rzeczywiście powinno być możliwe poprawienie ich wydajności. Elektroda grafenowa opisana w tym artykule jest zwinięta w kulkę jak zmięty kawałek papieru, mówi Miller. Nie masz pełnego dostępu do powierzchni.
Jeśli Graphene Energy może hodować elektrody w pionowych szykach, jak rząd idealnie płaskich arkuszy papieru stojących na krawędzi, Miller twierdzi, że moc wyjściową można by radykalnie zwiększyć. W takim układzie każdy atom węgla byłby odsłonięty i byłby w stanie magazynować energię, praktycznie bez czasu oczekiwania na przejście ładunku przez tunele znajdujące się w węglu aktywnym.
Jednak oprócz poprawy wydajności swoich ultrakondensatorów, Graphene Energy musi również opracować metodę wytwarzania ich na większą skalę – wspólne wyzwanie we wszystkich badaniach nad grafenem.
Dileep Agnihotri , dyrektor generalny Graphene Energy, mówi, że firma ma nadzieję przetestować swój pierwszy prototypowy produkt zawierający elektrody grafenowe do końca tego roku.
Inna grupa naukowców ma nadzieję stworzyć lepsze elektrody ultrakondensatorowe przy użyciu nanorurek węglowych – zwiniętych rurek grafenu, które mają wiele takich samych właściwości. Myślę, że oba podejścia mogą działać w zasadzie, mówi Joel Schindall , profesor elektrotechniki i informatyki na MIT, który pracuje nad elektrodami z nanorurek. Kluczem do sukcesu będzie odpowiedni proces wzrostu, a następnie praca nad sposobami jego produkcji w opłacalny sposób.