Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде разработали модифицированную оксидом металла графеновую пену, которую можно использовать для повышения производительности суперконденсаторов (как плотности, так и времени зарядки). Исследователи утверждают, что эта новая пена обеспечит создание суперконденсаторов, которые накапливают значительно больше энергии, чем современные коммерческие устройства.
Исследователи из Университета Джорджа Вашингтона разработали суперконденсаторы на основе углеродных нанотрубок и графеновых композиционных материалов, которые сочетают в себе высокую энергоемкость и низкую стоимость. Удельная емкость устройства в три раза выше, чем у конденсатора с чистой нанотрубкой. Исследователи объясняют, что гибридная структура полезна, потому что хлопья графена обеспечивают большую площадь поверхности и хорошую проводимость в плоскости, в то время как углеродные нанотрубки соединяют все структуры, образуя единую сеть. Кроме того, способ производства прост, масштабируем и дешев.
Исследователи из Sungkyunkwan из Кореи разработали новые суперконденсаторы, которые могут заряжаться в 1000 раз быстрее, чем нынешние графеновые суперконденсаторы, и при этом имеют в три раза большую емкость. Для достижения короткого времени заряда (и разряда) исследователи использовали вертикально ориентированные чешуйки оксида графена. Они создали пленку оксида графена с использованием углеродной нанотрубки, а затем использовали резку и термообработку для разработки вертикально структурированных графеновых электродов. Все это приводит к образованию электродов, которые работают намного быстрее, чем твердый и вертикально структурированный графен, используемый в существующих суперконденсаторах.
Новые технологии
Основной продукт Nawa Technologies - это углеродный суперконденсатор нового типа, обладающий рядом замечательных преимуществ по сравнению с обычными литий-ионными аккумуляторными элементами.
Преимущества суперконденсатора неоспоримы
Начнем с того, что его скорость заряда и разряда до 1000 раз быстрее по сравнению с батареями. Мы говорим о зарядке всего автомобильного аккумулятора за считанные секунды, в несколько раз быстрее заполнения бака ископаемым топливом.
А поскольку в нем никакая химическая реакция не протекает, а просто происходит физическое разделение протонов и электронов, сверхбыстрая зарядка не вызывает нагревания или набухания батареи. Это обеспечивает углеродному графеновому суперконденсатору исключительно долгий срок службы - до миллиона циклов зарядки.
Скорость разряда суперконденсатора — еще одно преимущество по сравнению с литиевыми батареями. В мощных электромобилях медленная разрядка аккумуляторов часто означает, что вам нужно увеличить емкость аккумулятора, чтобы повысить эксплуатационные показатели. Это абсолютно не проблема для графенового суперконденсатора, поскольку он разряжается достаточно быстро, чтобы стремительно выдавать огромную мощность даже с ограниченной емкости.
Однако главной визитной карточкой углеродного графенового суперконденсатора являются его экологические преимущества. Экологичность проекта заключается в том, что в производстве не используется литий, кобальт, редкоземельные металлы, которые загрязняют окружающую среду, и которын очень сложно добывать. В суперконденсаторах используются только углерод и алюминий.
Проблемы и решения
Помимо того факта, что разработки все еще находится на стадии исследования концепции, существуют еще некоторые проблемы
Во-первых, эти суперконденсаторы все еще имеют меньшую плотность энергии, чем лучшие литиевые аккумуляторы. Пока плотность мощности (величина выходной мощности на единицу веса) не конкурирует с литием. Поэтому автомобильный аккумулятор с суперконденсатором будет иметь значительно большие размеры чем литиевый.
Во-вторых, конденсаторы теряют энергию (саморазряжаются) при длительном хранении. Автомобиль в гараже каждый день будет теряться около 10-20 процентов энергии. Хотя, если суперконденсаторы заряжаются так быстро, владелец может об этом сильно не беспокоиться.
В-третьих, суперконденсаторы сделаны из графена, который насегодняшний день он достаточно дорогой, да и производится в ограниченном количестве.
Но наука и техника развиваются стремительно. Наверняка, скоро будут найдены новые способы получения большого количества графена по низкой цене. Примером могут служить первые микросхемы или мобильные телефоны, которые стоили когда-то достаточно дорого.
Суперконденсаторы очень эффективны при приеме или передаче значительного количества энергии, что делает их подходящим «партнером» для батарей. Первичные источники энергии, такие как двигатели внутреннего сгорания, топливные элементы и батареи, хорошо работают в качестве непрерывного источника малой мощности, но не могут эффективно справляться с пиковыми потребностями в энергии или мгновенно улавливать энергию. Батареи разряжаются и перезаряжаются достаточно медленно. Суперконденсаторы обеспечивают быстрые выбросы энергии при пиковых потребностях в энергии, а затем быстро накапливают энергию и улавливают избыточную мощность, которая без их использования попросту теряется. В примере с электромобилем графеновый суперконденсатор может обеспечить необходимую мощность для ускорения, в то время как батарея обеспечивает дальность и перезаряжает суперконденсатор между скачками напряжения.
Гибрид: графеновые суперконденсаторы + литиевая батарея = оптимальный вариант
Потенциал графенового суперконденсатора в полном объёме может реализоваться, когда он соединится с литиевой батареей. Гибридная литиево-углеродная аккумуляторная система может предложить лучшее из обоих миров - длительное непрерывное вождение и долговременное накопление энергии благодаря литиевому блоку, а также сверхбыструю частичную зарядку и экстремальную выходную мощность благодаря суперконденсатору.
У этого типа гибридной системы есть еще одно скрытое преимущество: рекуперативное торможение могло бы быть значительно лучше при возмещении энергии. Современные системы регенерации вынуждены терять большую часть энергии, генерируемой через колеса при торможении обратно в батарею, просто потому, что литиевый аккумулятор заряжается так медленно, что не успевают происходить химические реакции. Таким образом большая часть энергии при рекуперативном торможении теряется в виде тепла – это около 80 процентов. Электродвигатели очень эффективно генерируют эту мощность при торможении, но батарея просто не может принять ток при высокой скорости зарядки. Если объединить технологию суперконденсаторов с литиевой батареей появится возможность принять до 90 процентов этой энергии.
В электромобилях такая система будет наиболее эффективной: она сохраняла бы почти всю энергию торможения, а затем выдавала бы ее обратно с огромной скоростью для стремительного ускорения при последующем разгоне.
За счет этого, объединив суперконденсаторы с литиевой батареей, можно уменьшить размер и вес аккумуляторного блока на одну треть и тогда появится возможность проезжать большее расстояние, поскольку энергия будет использоваться намного эффективнее.
Это не фантастика – это реальность завтрашнего дня
Исследователи настроены оптимистично. Успешное хранение огромного количества энергии в компактной системе является значительным шагом на пути к усовершенствованной технологии ее накопления. Графеновый суперконденсатор заряжается быстро, можно контролировать его производительность, он обладает долговечностью и гибкостью, что делает его идеальным для использования в миниатюрной электронике и электромобилях.
Потенциал этих сверхбыстрых графеновых суперконденсаторов впечатляет. Так, например, поскольку в автомобильном мире нет никаких ограничений на то, как вы можете заряжать электромобили, открываются новые интересные идеи для индуктивной зарядки. Представьте себе, что вы просто проезжаете на своем автомобиле по кварталу или мимо электрозарядного устройства, где смонтирована индуктивная зарядная станция (например, под полотном дороги), платите on-line за дозаправку и уезжаете не останавливаясь. Такой параметр, как радиус действия электромобиля станет практически неактуальным, если вы сможете заряжать его так быстро даже на ходу.
