Superkondensatory - super a nawet ultra
Niedawno pisaliśmy o wybuchających bateriach litowo- jonowych w telefonach. Ich wciąż niezadowalająca pojemność i powolne ładowanie na pewno nie raz zirytowały też Elona Muska lub jakiegoś innego entuzjastę elektrycznej motoryzacji. Od lat słyszymy o różnych innowacjach w tej dziedzinie, ale przełomu, który dałby coś lepszego w codziennym użytku, na razie nie ma. Od pewnego czasu mówi się jednak sporo o tym, że akumulatory można by zastąpić szybko ładującymi się kondensatorami, a dokładniej ich wersją "super".
Dlaczego zwykłe kondensatory nie dają nadziei na przełom? Odpowiedź jest prosta. Kilogram benzyny to z grubsza 4 tys. kilowatogodzin energii. Akumulator w modelu Tesli ma energii ok. 30 razy mniej. Kilogram masy kondensatora to zaledwie 0,1 kWh. Chyba nie trzeba tłumaczyć, dlaczego zwykłe kondensatory nie nadają się do nowej roli. Kondensator o pojemności współczesnej baterii litowo-jonowej musiałby być od niej kilkaset razy większy.
Superkondensator lub ultrakondensator to rodzaj kondensatora elektrolitycznego, który w porównaniu do klasycznych kondensatorów elektrolitycznych wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną (rzędu kilku tysięcy faradów), przy napięciu pracy 2-3 V. Największą zaletą superkondensatorów jest bardzo krótki czas ładowania i rozładowania w porównaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np. akumulatorami). Pozwala to na uzyskanie mocy zasilania dochodzącej do 10 kW na kilogram masy kondensatora.
Osiągnięcia w laboratoriach
Ostatnie miesiące przynoszą sporo informacji o nowych prototypach superkondensatorów. Pod koniec 2016 r. dowiedzieliśmy się np., że zespół naukowców z Uniwersytetu Środkowej Florydy stworzył nowy proces budowania superkondensatorów, przechowujących więcej energii i wytrzymujących ponad 30 tys. cykli ładowania/rozładowywania. Jeśli zastąpilibyśmy baterie tymi superkondensatorami, nie tylko moglibyśmy naładować smartfon w ciągu kilku sekund, ale wystarczyłoby to na ponad tydzień jego używania - ogłosił w mediach Nitin Choudhary, członek zespołu badawczego. Uczeni z Florydy tworzą superkondensatory z milionów mikroprzewodów pokrytych dwuwymiarowym materiałem. Rdzenie przewodów świetnie przewodzą prąd, zapewniając szybkie ładowanie i rozładowywanie kondensatora, a pokrywający je dwuwymiarowy materiał pozwala na przechowywanie dużej ilości energii.
Nieco podobną koncepcję mają naukowcy z irańskiego Uniwersytetu w Teheranie, którzy produkują porowate miedziane struktury w roztworach amoniakalnych jako materiał na elektrody. Brytyjczycy z kolei stawiają na żele podobne do tych, stosowanych w soczewkach kontaktowych. Ktoś inny wziął na warsztat polimery. Badań i koncepcji na całym świecie jest bez liku.
Naukowcy uczestniczący w projekcie ELECTROGRAPH (Graphene-based electrodes for application in supercapacitors), finansowanym ze środków UE, zajmowali się masową produkcją grafenowych materiałów elektrodowych oraz zastosowaniem przyjaznych dla środowiska elektrolitów z cieczy jonowej o temperaturze pokojowej. Naukowcy oczekują, że grafen zastąpi aktywny węgiel (AC) stosowany w elektrodach superkondensatorów.
Badacze wytworzyli tlenki grafi tu, rozszczepili je na arkusze grafenu, a następnie wbudowali te arkusze w superkondensator. W porównaniu z elektrodami opartymi na AC, elektrody grafenowe wykazują się lepszymi właściwościami adhezyjnymi oraz większą pojemnością magazynowania energii.
Pasażerowie wsiadają - tramwaj ładuje zasilanie
Ośrodki naukowe badają i budują prototypy, tymczasem Chińczycy sięgnęli po superkondensatory w praktyce. W mieście Zhuzhou w prowincji Hunan zaprezentowano niedawno pierwszy tramwaj chińskiej produkcji, który porusza się napędzany energią z superkondensatorów (2), czyli nie wymaga sieci trakcyjnej. Tramwaj pobiera energię z pantografów zamontowanych na przystankach. Pełne ładowanie trwa ok. 30 sekund, odbywa się więc w trakcie wsiadania i wysiadania pasażerów. Dzięki temu pojazd może bez zewnętrznego zasilania przejechać 3-5 km, czyli wystarczająco dużo, by dojechać do kolejnego przystanku. Dodatkowo odzyskuje aż 85% energii z hamowania.
Możliwości praktycznego wykorzystania superkondensatorów są bardzo liczne – od układów zasilania, poprzez ogniwa paliwowe, ogniwa PV, po samochody elektryczne. Ostatnio uwaga specjalistów skupiła się na wykorzystaniu superkondensatorów w hybrydowych pojazdach elektrycznych. Ogniwo paliwowe z membraną polimerową ładuje superkondensator, który następnie przechowuje energię elektryczną wykorzystywaną do zasilania silnika. Szybkie cykle ładowania/ rozładowania SC można wykorzystać do wygładzenia wymaganej mocy szczytowej ogniwa paliwowego, osiągając niemal równomierne działanie.
Wydaje się, że jesteśmy już na progu superkondensatorowej rewolucji. Doświadczenie uczy jednak, że warto wstrzymać nadmiar entuzjazmu, aby nie zapeszyć i nie zostać z rozładowaną starą baterią w ręku.
