Учените са се борили да разработят решения за съхранение на енергия, като батерии и кондензатори, които могат да се справят със сегашния темп на развитие на електронните компоненти за няколко години. За съжаление, ситуацията, в която се намираме сега, е, че докато сме в състояние да съхраняваме голямо количество енергия в някои видове батерии, тези батерии са много големи, много тежки и зареждат и освобождават енергията си сравнително бавно. Кондензаторите, от друга страна, могат да се зареждат и отделят енергия много бързо, но могат да задържат много по-малко енергия от батерията. Развитието на графеновото приложение обаче е довело до нови възможности за съхранение на енергия, с високи зареждащи и разрядни норми, които могат да бъдат направени много евтино. Но преди да отидем в конкретни подробности,
ОБЯСНИХА СЕ КОНДЕНЗАТОРИ И СУПЕРКОНДЕНЗАТОРИ
Кондензаторът е среда за съхранение на енергия, подобна на електрохимичната батерия. Повечето батерии, макар и в състояние да съхраняват голямо количество енергия, са сравнително неефективни в сравнение с други енергийни решения като изкопаемите горива. Често се казва, че електрохимичната батерия с тегло 1 кг може да произвежда много по-малко енергия от 1 литър бензин; но този вид сравнение е изключително неясно, математически нелогично и трябва да бъде игнорирано. В действителност, някои електрохимични батерии могат да бъдат относително ефективни, но това не заобикаля основния ограничаващ фактор при батериите, които заменят изкопаемите горива в търговски и промишлени приложения (например транспорт); време на зареждане.
Зареждането на батерии с голям капацитет отнема много време. Ето защо електрически задвижваните превозни средства не са се изнесли както очаквахме преди двадесет или тридесет години. Макар че вече можете да пътувате 250 мили или повече на едно зареждане в кола като Tesla Model S, може да ви отнеме повече от 43 часа, за да заредите автомобила с помощта на стандартен 120-цолов контакт, за да се върнете вкъщи. Това не е приемливо за много потребители на автомобили. Кондензаторите, от друга страна, могат да се зареждат с много по-висока скорост, но съхраняват (както вече споменахме) малко по-малко енергия.
Суперкондензаторите, известни също като ултракондензатори, могат да задържат стотици пъти по-голямо количество електрически заряд от стандартните кондензатори и затова са подходящи като заместител на електрохимичните батерии в много индустриални и търговски приложения. Суперкондензаторите също работят при много ниски температури; ситуация, която може да попречи на работата на много видове електрохимични батерии. Поради тези причини вече се използват суперкондензатори в аварийни радиостанции и фенерчета, където енергията може да се произведе кинетично (например чрез навиване на дръжка) и след това да се съхранява в суперкондензатор, за да може устройството да се използва.
Обичайният кондензатор се състои от два слоя проводящи материали (които в крайна сметка стават положително и отрицателно заредени), разделени от изолатор. Това, което диктува количеството на заряда, което кондензаторът може да поеме, е площта на проводниците, разстоянието между двата проводника и също диелектричната константа на изолатора. Суперкондензаторите са малко по-различни в това, че не съдържат солиден изолатор.
Вместо това, двете проводими плочи в клетката са покрити с порест материал, най-често с активен въглен, и клетките са потопени в електролитен разтвор. Порестият материал в идеалния случай ще има изключително висока повърхностна площ (1 грам активен въглен може да има приблизителна повърхностна площ, равна на тази на тенис корта), и тъй като капацитетът на суперкондензатора е продиктуван от разстоянието между двата слоя и повърхността на порестия материал може да се постигне много високо ниво на зареждане.
Докато суперкондензаторите могат да съхраняват много повече енергия от стандартните кондензатори, те са ограничени в способността си да издържат на високо напрежение. Електролитни кондензатори могат да работят на стотици волта, но суперкондензаторите обикновено са ограничени до около 5 волта. Възможно е обаче да се проектира верига от суперкондензатори, които да работят при високи напрежения, докато серията е правилно проектирана и контролирана.
„Благодарение на леките размери на суперкондензаторите на графенова основа и минималните разходи за производство, съчетани с еластичните свойства на графена и наследяват механична якост, почти сигурно ще видим технологията през следващите пет до десет години, включваща тези суперкондензатори.“
СУПЕРКОНДЕНЗАТОРИ НА ОСНОВАТА НА ГРАФЕН
За съжаление, SSupercapacitors в момента са много скъпи за производство и в момента скалируемостта на суперкондензаторите в промишлеността ограничава възможностите за приложение, тъй като енергийната ефективност се компенсира с ефективността на разходите. Това е причината, поради която в научни среди и публикации толкова силно се споменава хартия от изследователи от UCLA, тъй като те могат да произвеждат суперкондензатори, изработени от графен, като използват обикновен DVD LightScribe писател на домашния компютър. Тази идея за създаване на графенови монослоеве чрез използване на термо литография не е непременно нова, тъй като учени от САЩ са могли да произвеждат графенови наножици, като използват термохимична нанолитография още през 2010 г .; въпреки това,
Защо учените търсят използването на графен вместо понастоящем по-популярния активен въглен? Е, графен е по същество форма на въглерод , и по време на активен въглен има изключително висока относителна повърхност, графен има значително повече. Както вече отбелязахме, една от ограниченията на капацитета на ултракондензаторите е повърхността на проводниците. Ако един проводим материал в суперкондензатор има по-висока относителна повърхност от друга, той ще бъде по-добре да съхранява електростатичен заряд. Също така, тъй като е материал, съставен от един единствен атомен слой, той е по-лек. Друг интересен момент е, че тъй като графенът е по същество само графит , който е форма на въглерод, той е екологично чист, за разлика от повечето други форми на съхранение на енергия.
Ефективността на суперкондензатора е важният фактор, който трябва да се има предвид. В миналото учените са успели да създадат суперкондензатори, които могат да съхраняват 150 фарада на грам, но някои са предположили, че теоретичната горна граница за суперкондензаторите на графен е 550 F / g. Това е особено впечатляващо, когато се сравнява с сегашната технология: кондензатор, който може да съхранява 1 Farad на електростатична енергия при 100 волта, ще бъде висок около 220 мм и ще тежи около 2 кг, въпреки че сегашната технология на суперкондензаторите е приблизително същата, по отношение на размерите спрямо стойности за съхранение на енергия, като суперкондензатор на основата на графен.
БЪДЕЩЕТО НА СУПЕРКОНДЕНЗАТОРИТЕ НА ГРАФЕН
Благодарение на леките размери на суперкондензаторите на графен и минималните производствени разходи, съчетани с еластичните свойства на графена и наследяват механична якост , почти сигурно ще видим технологията през следващите пет до десет години, включваща тези суперкондензатори. Също така, с увеличено развитие по отношение на границите за съхранение на енергия за суперкондензаторите като цяло, графенови или хибридни суперкондензатори в крайна сметка ще бъдат използвани в редица различни приложения.
Превозните средства, които използват суперкондензатори, вече са широко разпространени в нашето общество. Една китайска компания в момента произвежда автобуси, които включват системи за оползотворяване на енергия от суперкондензатори, като тези, използвани в автомобили от Формула 1, за съхраняване на енергия при спиране и след това преобразуване на тази енергия за захранване на превозното средство до следващата спирка. Освен това, в някакъв момент през следващите няколко години ще започнем да виждаме мобилните телефони и другите мобилни електронни устройства да се захранват от суперкондензатори, тъй като не само че могат да бъдат зареждани с много по-висока скорост, отколкото сегашните литиево-йонни батерии, но те също имат потенциал да продължи значително по-дълъг период от време.
Други настоящи и потенциални приложения на суперкондензаторите са като резервни консумативи за индустрията или дори за собствените ни домове. Предприятията могат да инвестират в решения за резервно захранване, които са в състояние да съхраняват високи нива на енергия при високи напрежения, като ефективно предлагат пълна мощност, с която разполагат, за да намалят риска от ограничаване на производството поради неадекватни количества енергия. Като алтернатива, ако имате превозно средство с горивни клетки, което може да съхранява голямо количество електрическа енергия, тогава защо не го използвате, за да помогнете на дома си в случай на прекъсване на електрозахранването?
Можем да очакваме, че този сценарий за използване на усъвършенствани решения за съхранение и възстановяване на енергия ще стане много по-широко използван през следващите години, тъй като ефективността и енергийната плътност на суперкондензаторите се увеличават и производствените разходи намаляват. Докато суперкондензаторите на основата на графен в момента са надеждно решение в бъдеще, технологиите трябва да бъдат разработени, за да се превърне в реалност. Но бъдете сигурни, че много компании по света вече изпробват продукти, използващи тази технология, и създават нови начини за подпомагане на субсидирането на използването на изкопаеми горива и токсични химикали в нашия все по-труден стремеж за енергия.