Графеновые суперконденсаторы. Быстрая зарядка электромобилей и рекуперация энергии

Суперконденсаторы могут заряжаться практически мгновенно и при необходимости разряжать огромное количество энергии за короткий промежуток времени. Они могли бы полностью стереть ахиллесову пяту электромобилей - их продолжительное время зарядки, если бы они могли хранить больше энергии.

Классический принцип работы суперконденсатора

Суперконденсаторы, также известные как EDLC (электрические двухслойные конденсаторы), содержат две металлические пластины, покрытые пористым материалом (активированный уголь) могут хранить значительное количество энергии. Они погружены в электролит из положительных и отрицательных ионов, находящихся в растворителе. Одна пластинка положительна, а другая отрицательна. Во время заряда ионы из электролита накапливаются на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием.

Кроме того, суперконденсаторы хранят энергию также в электрическом поле, которое образуется между двумя противоположно заряженными электродами, поскольку имеется электролит, в котором равномерно распределено равное количество положительных и отрицательных ионов. Таким образом, во время зарядки каждый электрод имеет два слоя покрытия заряда (электрический двухслойный).

Во время заряда суперконденсатора ионы из электролита накапливаются не только на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием, а также сохраняются в электрическом поле. Таким образом, во время зарядки каждый электрод имеет два слоя покрытия заряда

Аккумуляторы и суперконденсаторы

В отличие от конденсаторов и суперконденсаторов, аккумуляторы накапливают энергию в процессе химической реакции. При этом ионы вставляются в атомную структуру электрода, а не просто цепляются за него, как в суперконденсаторах. Это позволяет суперконденсаторам заряжаться и разряжаться намного быстрее (поскольку энергия храниться без химических реакций), чем батареи. Из-за того, что суперконденсатор не подвержен такому износу, как аккумуляторная батарея, принцип работы которой основанная на химической реакции, он может выдержать сотни тысяч циклов заряда и разряда.

Суперконденсаторы обладают высокой емкостью накопления энергии по сравнению с обычными конденсаторами, но они все еще отстают от батарей в этой области. Суперконденсаторы также обычно дороже на единицу емкости, чем батареи.

Графеновые суперконденсаторы

Графен предлагается в качестве замены активированного угля в суперконденсаторах, частично из-за его высокой относительной площади поверхности (которая более значительна, чем у активированного угля). Площадь поверхности является одним из ограничений емкости, а более высокая площадь поверхности означает большее накопление электростатического заряда. Кроме того, суперконденсаторы на основе графена будут использовать его малый вес, упругие свойства и механическую прочность.

Графен представляет собой тонкий слой чистого углерода, плотно упакованный и связанный в шестиугольную сотовую решетку. Он широко известен как «чудодейственный материал», потому что он наделен множеством удивительных черт: это самое тонкое соединение, известное человеку с толщиной в один атом, а также самый известный проводник. Он также обладает удивительными характеристиками прочности и поглощения света и даже считается экологически чистым и устойчивым, так как углерод широко распространен в природе и даже в человеческом теле.

 

Суперконденсаторы на основе графена накапливают почти столько же энергии, сколько простые литий-ионные аккумуляторы, заряжаются и разряжаются за считанные секунды и поддерживают все это в течение десятков тысяч циклов зарядки. Одним из способов достижения этого является использование высокопористой формы графена с большой площадью внутренней поверхности (изготовленной путем упаковки порошка графена в ячейку в форме монеты, а затем высушивания и прессования).

Графеновые суперконденсаторы, основанные на быстром накоплении ионов, обеспечивают высокую мощность, длительную стабильность и эффективное накопление энергии с использованием высокопористых электродных материалов. Используя масштабируемый метод синтеза нанопористого графена, включающий процесс отжига в водороде, суперконденсаторы с высокопористыми графеновыми электродами, способны достигать не только высокой плотности мощности 41 кВт кг-1 и кулоновского КПД 97,5%, но также высокой плотность энергии 148,75 Вт.ч. кг-1. Устройства могут сохранять 100% емкость даже после 7000 циклов заряда/разряда при плотности тока 8 А г-1 . Превосходные характеристики суперконденсаторов обусловлены их идеальным размером пор, однородностью пор и хорошей ионной доступностью синтезированного графена.

 

 

В 10 раз больше энергии на единицу объема!

Команда Университетского колледжа Лондона и Китайской академией наук, выпустила исследование и доказательство концепции нового дизайна суперконденсатора с использованием пленок графенового ламината и сосредоточения внимания на расстоянии между слоями. Исследователи обнаружили, что они могут радикально повысить плотность энергии, подогнав размеры пор в мембранах точно к размеру ионов электролита.

Общий дизайн и технологический процесс изготовления суперконденсатора на основе электрохимически адаптированных трехмерных восстановленных сеток из оксида графена

Используя эту конструкцию, команда утверждает, что достигнуто значительное увеличение объемной плотности энергии. В то время как аналогичные коммерческие технологии с быстрой зарядкой обычно предлагают около 5-8 ватт-часов на литр, новая разработка была протестирована при рекордных 88,1 Вт.ч / л. Команда заявляет, что это «самая высокая из когда-либо зарегистрированных плотностей энергии для углеродных суперконденсаторов».

Графеновые суперконденсаторы очень гибкие. При тестировании суперконденсатор мог функционировать практически одинаково, лежал ли он горизонтально или был согнут на 180 градусов.

Последние исследования и инновации 

Исследователи LLNL (Лоуренс Ливермор) разработали новые суперконденсаторные электроды из модифицированных графеновых аэрогелей. Эти электроды имеют высокую площадь поверхности, отличную электрическую проводимость, химическую инертность и долговременную стабильность при большом количестве циклов заряда/разряда.

Исследователи сообщают, что графеновый аэрогель может улучшить эксплуатационные характеристики электродов на основе углерода на суперконденсаторах более чем на 100%, а также иметь лучшую плотность, распределение пор и повышенную проводимость.

Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что мятая графеновая бумага (изготовленная из листов графена, соединенных вместе) приводит к получению недорогого материала, который полезен для чрезвычайно растяжимых суперконденсаторов для гибких устройств. Мятую графеновую бумагу, «хаотическую массу складок», используют в суперконденсаторе, который можно сгибать, складывать или растягивать до 80% от исходного размера . Его можно смять и сгладить много раз без значительной потери производительности.

Исследователи из Калифорнийского университета разработали новый материал на основе графена, который может значительно повысить плотность энергии суперконденсаторов. Они называют новый материал дырявым графеновым каркасом. Это 3D материал, в котором есть крошечные отверстия. Дырочный графен обладает превосходной электрической проводимостью, исключительной механической гибкостью и уникальной иерархической пористостью. Это позволило исследователям создать конденсатор с беспрецедентной плотностью энергии 35 ватт-часов на килограмм (49 ватт-часов на литр), что в 10 раз выше, чем у современных коммерческих суперконденсаторов.

Обычная сложенная геометрия, используемая для материала электрода на основе углерода (вверху) и конфигурации суперконденсатора в плоскости, изготовленной из графеновых электродов (внизу). На схеме изображены механизмы увеличения протекания электролита для повышения производительности