Kondenzátor místo baterie: technické řešení. Jak se používají superkondenzátory v hybridních autech Udělej si sám velkokapacitní grafenový kondenzátor

Lžíce aktivního uhlí z lékárny, pár kapek osolené vody, pocínovaný talíř a plastová dóza s fotografickým filmem. To stačí udělat DIY ionistor, elektrický kondenzátor, jehož kapacita se přibližně rovná elektrické kapacitě ... zeměkoule. Leydenská sklenice.

Je možné, že právě o takovém zařízení jeden z amerických novin v roce 1777 napsal: „... Dr. Franklin vynalezl stroj o velikosti pouzdra na párátko, schopný proměnit londýnskou katedrálu svatého Pavla v hrst popela. “ Nejprve však věci.

Lidstvo používá elektřinu něco málo přes dvě století, ale elektrické jevy jsou lidem známy tisíce let a už dávno nemají praktický význam. Teprve na začátku 18. století, kdy se věda stala módní zábavou, vytvořil německý vědec Otto von Guericke „elektroforický“ stroj speciálně pro provádění veřejných experimentů, s jehož pomocí získával elektřinu v dříve neslýchaných množstvích.

Stroj se skládal ze skleněné koule, o kterou se při otáčení otíral kus kůže. Efekt její práce byl skvělý: jiskry praskaly, neviditelné elektrické síly strhávaly dámské šátky a vstávaly vlasy na hlavě. Veřejnost překvapila zejména schopnost těles akumulovat elektrické náboje.

V roce 1745 holandský fyzik z Leidenu Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) nalil vodu do skleněné nádoby, vložil do ní kus drátu jako květinu do vázy a opatrně jej sevřel dlaněmi a přinesl do elektroforový stroj. Láhev nasbírala tolik elektřiny, že z kusu drátu vylétla jasná jiskra s „ohlušujícím řevem“. Když se vědec příště dotkl drátu prstem, dostal ránu, při níž ztratil vědomí; Nebýt asistenta Kuneuse, který dorazil včas, mohla záležitost skončit smutně.

Vzniklo tak zařízení, které dokázalo akumulovat milionkrát více náboje než kterékoli v té době známé těleso. Říkalo se tomu „Leydenská nádoba“. Byl to druh kondenzátoru, jehož jednou z desek byly dlaně experimentátora, dielektrikem byly skleněné stěny a druhou deskou byla voda.

Zpráva o vynálezu se rozšířila po celé osvícené Evropě. Leydenská nádoba byla okamžitě použita ke vzdělání francouzského krále Ludvíka XV. Představení začala. Při jednom z experimentů, které se zapsaly do historie, procházel elektrický proud řetězem stráží, kteří se drželi za ruce. Když zasáhl elektrický výboj, všichni vyskočili jako jeden, jako by se chystali pochodovat vzduchem. V dalším experimentu procházel proud řetězcem 700 mnichů...

Experimenty s Leydenskou nádobou v Americe nabraly praktičtější směr. V roce 1747 je zahájil jeden ze zakladatelů Spojených států, již zmíněný Benjamin Franklin. Přišel s nápadem zabalit sklenici do alobalu a její kapacita se mnohonásobně zvýšila a práce se stala bezpečnější. Při experimentech s ním Franklin dokázal, že elektrický výboj může generovat teplo a zvednout rtuťový sloupec v teploměru. A nahrazením sklenice skleněnou deskou pokrytou cínovou fólií dostal Franklin plochý kondenzátor, mnohokrát lehčí než dokonce i Leydenská sklenice, kterou vylepšil.

Historie mlčí o zařízení schopném uchovat tolik energie, že by se dalo, jak napsal deník, použít k „proměně katedrály sv. Pavla v hromadu popela“, ale to neznamená, že by jej B. Franklin nedokázal vytvořit .

A tady je čas vrátit se k tomu, jak to udělat DIY ionistor. Pokud máte zásobu všeho, co potřebujete, po připájení kousku izolovaného drátu k ní spusťte pocínovanou desku na dno plechovky. Nahoře položte podložku z filtračního papíru, nasypte na ni vrstvu aktivního uhlí a po nalití osolené vody přikryjte svůj „sendvič“ další elektrodou.

Schéma činnosti ionistoru.

Máte elektrochemický kondenzátor - ionistor. Je zajímavé, že v pórech částic aktivního uhlí se objevuje tzv. dvojitá elektrická vrstva - dvě vrstvy elektrických nábojů různých znaků umístěné blízko sebe, tedy jakýsi elektrochemický kondenzátor. Vzdálenost mezi vrstvami se počítá v angstromech (1 angstrom - 10-9 m). A kapacita kondenzátoru, jak je známo, čím větší, tím menší je vzdálenost mezi deskami.

Díky tomu je zásoba energie na jednotku objemu ve dvojité vrstvě větší než u nejsilnější trhaviny. Tento Leydenská sklenice!

Ionistor funguje následovně. Při absenci vnějšího napětí je jeho kapacita zanedbatelná. Ale pod vlivem napětí aplikovaného na póly kondenzátoru se sousední vrstvy uhlí nabijí. Ionty opačného znaménka v roztoku spěchají k částicím uhlí a vytvářejí na jejich povrchu dvojitou elektrickou vrstvu.

Průmyslový elektrochemický kondenzátor (ionistor). Kovové pouzdro velikosti knoflíku obsahuje dvě vrstvy aktivního uhlí, oddělené porézní distanční vložkou.

Schéma jak na to DIY ionistor.

Schéma domácího ionistoru vyrobeného z plastové nádoby a aktivního uhlí:

1 - horní elektroda;

2 - spojovací vodiče;

3,5 - vrstvy mokrého aktivního uhlí;

4 - porézní separační těsnění;

6 - spodní elektroda;

7 - tělo.

Pokud je k pólům kondenzátoru připojena zátěž, pak opačné náboje z vnitřního povrchu uhelných částic budou probíhat podél drátů směrem k sobě a ionty umístěné v jejich pórech budou vycházet.

To je vše. nyní chápete, jak to udělat DIY ionistor.

Moderní ionistory mají kapacitu desítek a stovek farad. Po vybití jsou schopny vyvinout velkou sílu a jsou velmi odolné. Z hlediska energetické rezervy na jednotku hmotnosti a jednotku objemu jsou ionistory stále horší než baterie. Pokud ale aktivní uhlí nahradíte nejtenčími uhlíkovými nanotrubičkami nebo jinou elektricky vodivou látkou, energetická náročnost ionistoru může být fantasticky velká.

Benjamin Franklin žil v době, kdy se o nanotechnologiích ani neuvažovalo, ale to neznamená, že se nepoužívaly. Jak uvedl držitel Nobelovy ceny za chemii Robert Curie, při výrobě čepelí z damaškové oceli starověcí řemeslníci, aniž by to věděli, používali nanotechnologické metody. Starověká damašková ocel zůstala vždy ostrá a odolná díky speciálnímu složení uhlíku v kovové struktuře.

Některé druhy nanomateriálů, jako jsou zuhelnatělé stonky rostlin obsahující nanotrubičky, by mohl Franklin použít k vytvoření superkondenzátoru. Kolik z vás chápe, co to je? Leydenská sklenice a kdo se o to pokusí?

Ionistory jsou elektrochemická zařízení určená k ukládání elektrické energie. Vyznačují se velkou rychlostí nabití-vybití (až několik desítek tisíckrát), mají velmi dlouhou životnost na rozdíl od jiných baterií (akumulátory a galvanické články), nízký svodový proud a hlavně mohou mít ionistory velká kapacita a velmi malé rozměry. Ionistory jsou široce používány v osobních počítačích, autorádiích, mobilních zařízeních a tak dále. Navrženo pro uložení paměti, když je vyjmuta hlavní baterie nebo je zařízení vypnuto. V poslední době se ionistory často používají v autonomních energetických systémech využívajících solární baterie.

Ionistory také velmi dlouho uchovávají náboj bez ohledu na povětrnostní podmínky, jsou odolné vůči mrazu a teplu a to nijak neovlivní provoz zařízení. V některých elektronických obvodech je pro uložení paměti potřeba mít napětí, které je vyšší než napětí ionistoru; k vyřešení tohoto problému jsou ionistory zapojeny do série a pro zvýšení kapacity ionistoru jsou zapojeny do paralelní. Posledně jmenovaný typ zapojení se používá především pro zvýšení provozní doby ionistoru a také pro zvýšení proudu dodávaného do zátěže, pro vyrovnání proudu v paralelním zapojení je ke každému ionistoru připojen rezistor.

Ionistory se často používají s bateriemi a na rozdíl od nich se nebojí zkratů a náhlých změn okolních teplot. Již dnes se vyvíjejí speciální ionistory s velkou kapacitou a proudem až 1 A. Jak známo, proud ionistorů, které se dnes používají v technice pro ukládání paměti, nepřesahuje 100 miliampérů, to je jeden a nejvíce Významnou nevýhodou ionistorů, ale toto převýšení je kompenzováno výše uvedenými výhodami ionistorů. Na internetu lze najít mnoho konstrukcí založených na tzv. superkondenzátorech – jsou to také ionistory. Ionistory se objevily poměrně nedávno - před 20 lety.

Elektrická kapacita naší planety je podle vědců 700 mikrofaradů, srovnejte s jednoduchým kondenzátorem... Ionistory se vyrábějí převážně z dřevěného uhlí, které se po aktivaci a speciální úpravě stává porézní, dvě kovové desky jsou pevně přitlačeny k přihrádce s uhlí. Vyrobit si ionistor doma je velmi jednoduché, ale získat porézní uhlík je téměř nemožné; musíte zpracovat dřevěné uhlí doma, a to je poněkud problematické, takže je snazší koupit ionistor a provádět na něm zajímavé experimenty. Například parametry (výkon a napětí) jednoho ionistoru stačí k tomu, aby LED svítila jasně a dlouho nebo fungovala

Lidé nejprve používali kondenzátory k ukládání elektřiny. Když pak elektrotechnika přesáhla laboratorní experimenty, byly vynalezeny baterie, které se staly hlavním prostředkem k ukládání elektrické energie. Ale na začátku 21. století se opět navrhuje používat k napájení elektrických zařízení kondenzátory. Jak je to možné a stanou se baterie konečně minulostí?

Důvodem, proč byly kondenzátory nahrazeny bateriemi, bylo podstatně větší množství elektřiny, které jsou schopny akumulovat. Dalším důvodem je, že během vybíjení se napětí na výstupu baterie mění velmi málo, takže stabilizátor napětí buď není potřeba, nebo může být velmi jednoduché konstrukce.

Hlavní rozdíl mezi kondenzátory a bateriemi je v tom, že kondenzátory přímo ukládají elektrický náboj, zatímco baterie přeměňují elektrickou energii na chemickou energii, ukládají ji a poté přeměňují chemickou energii zpět na elektrickou energii.

Při přeměnách energie se její část ztrácí. Proto i ty nejlepší baterie mají účinnost maximálně 90 %, zatímco u kondenzátorů může dosáhnout 99 %. Intenzita chemických reakcí závisí na teplotě, takže baterie fungují v chladném počasí znatelně hůře než při pokojové teplotě. Navíc chemické reakce v bateriích nejsou zcela vratné. Z toho plyne malý počet cyklů nabití-vybití (řádově tisíce, nejčastěji je životnost baterie cca 1000 cyklů nabití-vybití), a také „paměťový efekt“. Připomeňme, že „paměťový efekt“ spočívá v tom, že baterie musí být vždy vybita na určité množství akumulované energie, pak bude její kapacita maximální. Pokud v ní po vybití zůstane více energie, pak bude kapacita baterie postupně klesat. „Paměťový efekt“ je charakteristický pro téměř všechny komerčně vyráběné typy baterií, kromě kyselých (včetně jejich odrůd - gelové a AGM). I když se obecně uznává, že lithium-iontové a lithium-polymerové baterie jej nemají, ve skutečnosti ho také mají, jen se projevuje v menší míře než u jiných typů. Kyselé baterie vykazují efekt sulfatace desek, která způsobuje nevratné poškození zdroje energie. Jedním z důvodů je, že baterie zůstává po dlouhou dobu ve stavu nabití nižším než 50 %.

Co se týče alternativní energie, „paměťový efekt“ a sulfatace desek jsou vážnými problémy. Faktem je, že dodávky energie ze zdrojů, jako jsou solární panely a větrné turbíny, je obtížné předvídat. V důsledku toho nabíjení a vybíjení baterií probíhá chaoticky, v neoptimálním režimu.

Pro moderní rytmus života se ukazuje jako absolutně nepřijatelné, aby se baterie musely nabíjet několik hodin. Jak si například představujete jízdu na dlouhou vzdálenost v elektrickém vozidle, když vás vybitá baterie drží u nabíjecího bodu několik hodin? Rychlost nabíjení baterie je omezena rychlostí chemických procesů, které v ní probíhají. Dobu nabíjení můžete zkrátit na 1 hodinu, ale ne na několik minut. Rychlost nabíjení kondenzátoru je přitom omezena pouze maximálním proudem poskytovaným nabíječkou.

Uvedené nevýhody baterií způsobily, že je naléhavé použít místo nich kondenzátory.

Použití elektrické dvouvrstvy

Po mnoho desetiletí měly elektrolytické kondenzátory nejvyšší kapacitu. V nich byla jedna z desek kovová fólie, druhá byla elektrolyt a izolace mezi deskami byl oxid kovu, který potahoval fólii. U elektrolytických kondenzátorů může kapacita dosahovat setin farad, což nestačí k plné výměně baterie.

Porovnání návrhů různých typů kondenzátorů (Zdroj: Wikipedia)

Velkou kapacitu, měřenou v tisících farad, lze získat kondenzátory na bázi tzv. elektrické dvojvrstvy. Princip jejich fungování je následující. Na rozhraní látek v pevné a kapalné fázi se za určitých podmínek objevuje elektrická dvojvrstva. Jsou vytvořeny dvě vrstvy iontů s náboji opačných znamének, ale stejné velikosti. Pokud situaci velmi zjednodušíme, vytvoří se kondenzátor, jehož „desky“ jsou naznačené vrstvy iontů, jejichž vzdálenost je rovna několika atomům.

Superkondenzátory různých kapacit vyráběné firmou Maxwell

Kondenzátory založené na tomto efektu se někdy nazývají ionistory. Ve skutečnosti se tímto pojmem neoznačují pouze kondenzátory, ve kterých je uložen elektrický náboj, ale i další zařízení pro akumulaci elektřiny - s částečnou přeměnou elektrické energie na energii chemickou spolu s ukládáním elektrického náboje (hybridní ionistor), jakož i pro baterie na bázi dvojité elektrické vrstvy (tzv. pseudokondenzátory). Proto je vhodnější termín „superkondenzátory“. Někdy se místo toho používá identický termín „ultrakondenzátor“.

Technická realizace

Superkondenzátor se skládá ze dvou desek z aktivního uhlí naplněných elektrolytem. Mezi nimi je membrána, která umožňuje průchod elektrolytu, ale brání fyzickému pohybu částic aktivního uhlí mezi deskami.

Je třeba poznamenat, že samotné superkondenzátory nemají žádnou polaritu. V tom se zásadně liší od elektrolytických kondenzátorů, které se zpravidla vyznačují polaritou, jejíž nedodržení vede k poruše kondenzátoru. Polarita je však také aplikována na superkondenzátory. To je způsobeno skutečností, že superkondenzátory opouštějí výrobní linku již nabité a označení označuje polaritu tohoto náboje.

Parametry superkondenzátoru

Maximální kapacita jednotlivého superkondenzátoru, dosažená v době psaní článku, je 12 000 F. U sériově vyráběných superkondenzátorů nepřesahuje 3 000 F. Maximální přípustné napětí mezi deskami nepřesahuje 10 V. U komerčně vyráběných superkondenzátorů tato hodnota se zpravidla pohybuje v rozmezí 2. 3 – 2,7 V. Nízké provozní napětí vyžaduje použití napěťového měniče s funkcí stabilizátoru. Faktem je, že během vybíjení se napětí na deskách kondenzátoru mění v širokém rozsahu. Vytvoření měniče napětí pro připojení zátěže a nabíječky je netriviální úkol. Řekněme, že potřebujete napájet 60W zátěž.

Pro zjednodušení úvahy o problematice zanedbáme ztráty v měniči napětí a stabilizátoru. Pokud pracujete s běžnou 12 V baterií, pak musí řídící elektronika odolat proudu 5 A. Taková elektronická zařízení jsou rozšířená a levná. Zcela jiná situace ale nastává při použití superkondenzátoru, jehož napětí je 2,5 V. Pak může proud protékající elektronickými součástkami měniče dosáhnout 24 A, což vyžaduje nové přístupy k obvodové technice a moderní základnu prvků. Právě složitost stavby měniče a stabilizátoru může vysvětlit skutečnost, že superkondenzátory, jejichž sériová výroba začala v 70. letech 20. století, se až nyní začaly široce využívat v nejrůznějších oborech.

Schematické schéma zdroje nepřerušitelného napájení
napětí na superkondenzátorech jsou implementovány hlavní komponenty
na jednom mikroobvodu vyrobeném společností LinearTechnology

Superkondenzátory lze do baterií zapojit pomocí sériového nebo paralelního zapojení. V prvním případě se zvýší maximální přípustné napětí. V druhém případě - kapacita. Zvýšení maximálního povoleného napětí tímto způsobem je jedním ze způsobů, jak problém vyřešit, ale budete za to muset zaplatit snížením kapacity.

Rozměry superkondenzátorů přirozeně závisí na jejich kapacitě. Typický superkondenzátor s kapacitou 3000 F je válec o průměru asi 5 cm a délce 14 cm.S kapacitou 10 F má superkondenzátor rozměry srovnatelné s lidským nehtem.

Dobré superkondenzátory vydrží stovky tisíc cyklů nabití a vybití, přičemž v tomto parametru převyšují baterie asi 100krát. Ale stejně jako elektrolytické kondenzátory se superkondenzátory potýkají s problémem stárnutí v důsledku postupného úniku elektrolytu. Dosud nebyly nashromážděny kompletní statistiky o poruchovosti superkondenzátorů z tohoto důvodu, ale podle nepřímých údajů lze životnost superkondenzátorů odhadnout přibližně na 15 let.

Akumulovaná energie

Množství energie uložené v kondenzátoru, vyjádřené v joulech:

E = CU 2 /2,
kde C je kapacita vyjádřená ve faradech, U je napětí na deskách vyjádřené ve voltech.

Množství energie uložené v kondenzátoru, vyjádřené v kWh, je:

W = CU 2 /7200000

Kondenzátor s kapacitou 3000 F s napětím mezi deskami 2,5 V je tedy schopen uložit pouze 0,0026 kWh. Jak se to dá srovnat například s lithium-iontovou baterií? Pokud vezmeme její výstupní napětí nezávislé na stupni vybití a rovné 3,6 V, pak se v lithium-iontové baterii o kapacitě 0,72 Ah uloží množství energie 0,0026 kWh. Bohužel, velmi skromný výsledek.

Aplikace superkondenzátorů

V systémech nouzového osvětlení je použití superkondenzátorů místo baterií skutečný rozdíl. Ve skutečnosti je to právě tato aplikace, která se vyznačuje nerovnoměrným vybíjením. Kromě toho je žádoucí, aby se nouzová svítilna rychle nabíjela a záložní zdroj v ní použitý měl větší spolehlivost. Přímo do LED lampy T8 lze integrovat záložní zdroj na bázi superkondenzátoru. Takové lampy již vyrábí řada čínských společností.

Napájené LED pozemní světlo
ze solárních panelů, akumulace energie
ve kterém se provádí v superkondenzátoru

Jak již bylo uvedeno, vývoj superkondenzátorů je z velké části způsoben zájmem o alternativní zdroje energie. Ale praktická aplikace je stále omezena na LED lampy, které přijímají energii ze slunce.

Aktivně se rozvíjí využití superkondenzátorů pro spouštění elektrických zařízení.

Superkondenzátory jsou schopny dodat velké množství energie v krátkém časovém období. Napájením elektrického zařízení při startu ze superkondenzátoru lze snížit špičkové zatížení elektrické sítě a v konečném důsledku lze snížit rozpětí zapínacího proudu, čímž lze dosáhnout obrovských úspor nákladů.

Spojením několika superkondenzátorů do baterie můžeme dosáhnout kapacity srovnatelné s bateriemi používanými v elektromobilech. Tato baterie však bude vážit několikrát více než baterie, což je pro vozidla nepřijatelné. Problém lze vyřešit použitím superkondenzátorů na bázi grafenu, ty však v současnosti existují pouze jako prototypy. Nadějná verze slavného Yo-mobilu, poháněná pouze elektřinou, však jako zdroj energie využije superkondenzátory nové generace, které vyvíjejí ruští vědci.

Superkapacitory prospějí i výměně baterií v běžných benzinových nebo naftových vozidlech – jejich použití v takových vozidlech je již realitou.

Za nejúspěšnější z realizovaných projektů zavedení superkondenzátorů lze zatím považovat nové trolejbusy ruské výroby, které se nedávno objevily v ulicích Moskvy. Při přerušení dodávky napětí do kontaktní sítě nebo při „odlétnutí sběračů proudu“ může trolejbus jet nízkou rychlostí (asi 15 km/h) několik set metrů do místa, kde nebude překážet provozu. na cestě. Zdrojem energie pro takové manévry je baterie superkondenzátorů.

Obecně platí, že zatím superkondenzátory mohou vytlačit baterie pouze v určitých „výklencích“. Technologie se však rychle vyvíjí, což nám umožňuje očekávat, že v blízké budoucnosti se rozsah použití superkondenzátorů výrazně rozšíří.

Hluk kolem stavby „Battery Gigafactory“ Elona Muska na výrobu lithium-iontových baterií ještě neutichl, když se objevila zpráva o události, která by mohla plány „miliardářského revolucionáře“ výrazně upravit.
Toto je nedávná tisková zpráva společnosti. Společnost Sunvault Energy Inc., který spolu s Edison Power Company podařilo vytvořit největší grafenový superkondenzátor na světě s kapacitou 10 tisíc (!) Faradů.
Tento údaj je tak fenomenální, že vzbuzuje u domácích odborníků pochybnosti – v elektrotechnice dokonce 20 mikrofaradů (tedy 0,02 milifaradů), to je hodně. Není však pochyb o tom, že ředitelem Sunvault Energy je Bill Richardson, bývalý guvernér Nového Mexika a bývalý ministr energetiky USA. Bill Richardson je známý a uznávaný muž: sloužil jako americký velvyslanec při OSN, několik let pracoval v think-tanku Kissinger a McLarty a byl dokonce nominován na Nobelovu cenu za své úspěchy při osvobozování Američanů zajatých militanty. v různých „horkých místech“ míru. V roce 2008 byl jedním z kandidátů Demokratické strany na prezidenta Spojených států, ale prohrál s Barackem Obamou.

Dnes Sunvault rychle roste, vytvořil společný podnik s Edison Power Company s názvem Supersunvault a v představenstvu nové společnosti jsou nejen vědci (jeden z ředitelů je biochemik, další podnikavý onkolog), ale také slavní lidé s dobrými obchodními schopnostmi. Podotýkám, že jen za poslední dva měsíce společnost navýšila kapacitu svých superkondenzátorů desetinásobně – z tisíce na 10 000 Faradů a slibuje, že ji ještě navýší, aby energie akumulovaná v kondenzátoru stačila na napájení celého domu, to znamená, že Sunvault je připraven jednat přímo jako konkurent Elona Muska, který plánuje výrobu superbaterií typu Powerwall s kapacitou asi 10 kWh.

Výhody grafenové technologie a konec Gigafactory.

Zde je třeba připomenout hlavní rozdíl mezi kondenzátory a bateriemi - pokud se první rychle nabíjejí a vybíjejí, ale akumulují málo energie, pak baterie - naopak. Poznámka hlavní výhody grafenových superkondenzátorůPROTI.

1. Rychlé nabíjení— kondenzátory se nabíjejí přibližně 100-1000krát rychleji než baterie.

2. Láce: pokud běžné lithium-iontové baterie stojí asi 500 dolarů za 1 kWh akumulované energie, pak superkondenzátor stojí jen 100 dolarů a do konce roku tvůrci slibují snížení nákladů na 40 dolarů. Svým složením jde o obyčejný uhlík – jeden z nejrozšířenějších chemických prvků na Zemi.

3. Kompaktnost a hustota energie a. Nový grafenový superkondenzátor ohromuje nejen svou fantastickou kapacitou, která převyšuje známé vzorky zhruba tisíckrát, ale také svou kompaktností - má velikost malé knihy, tedy stokrát kompaktnější než kondenzátory 1 Farad. aktuálně používané.

4. Bezpečnost a šetrnost k životnímu prostředí. Jsou mnohem bezpečnější než baterie, které se zahřívají, obsahují nebezpečné chemikálie a někdy dokonce explodují.Grafen sám o sobě je biologicky odbouratelná látka, to znamená, že se na slunci jednoduše rozpadne a nekazí životní prostředí. Je chemicky neaktivní a nezatěžuje životní prostředí.

5. Jednoduchost nové technologie výroby grafenu. Obrovské území a kapitálové investice, masa pracovníků, toxické a nebezpečné látky používané v technologickém procesu lithium-iontových baterií – to vše ostře kontrastuje s úžasnou jednoduchostí nové technologie. Faktem je, že grafen (tedy nejtenčí, monoatomický uhlíkový film) se vyrábí v Sunvaultu... pomocí obyčejného CD disku, na který se nalije část grafitové suspenze. Poté se disk vloží do běžné DVD mechaniky a pomocí speciálního programu se vypálí laserem – a grafenová vrstva je hotová! Uvádí se, že tento objev učinil náhodou - student Maher El-Kadi, který pracoval v laboratoři chemika Richarda Kanera. Poté disk vypálil pomocí softwaru LightScribe, aby vytvořil vrstvu grafenu.
Navíc, jak řekl generální ředitel Sunvault Gary Monahan na konferenci na Wall Street, firma na tom pracuje grafenová zařízení pro ukládání energie by mohla být vyrobena konvenčním tiskem na 3D tiskárně- a tím bude jejich výroba nejen levná, ale i prakticky univerzální. A v kombinaci s levnými solárními panely (dnes jejich cena klesla na 1,3 dolaru za W) dají grafenové superkondenzátory milionům lidí šanci získat energetickou nezávislost úplným odpojením od elektrické sítě, a ještě více – stát se vlastní elektřinou. dodavatelů a zničením „přirozených“ monopolů.
Není tedy pochyb: grafen superkondenzátory jsou revoluční průlom v oblasti skladování energie a . A to je pro Elona Muska špatná zpráva – výstavba závodu v Nevadě ho bude stát zhruba 5 miliard dolarů, což by se i bez takových konkurentů jen těžko vrátilo. Zdá se, že zatímco výstavba továrny v Nevadě již probíhá a pravděpodobně bude dokončena, další tři, které Musk naplánoval, pravděpodobně nebudou dokončeny.

Přístup na trh? Ne tak brzy, jak bychom chtěli.

Revoluční povaha takové technologie je zřejmá. Další věc je nejasná – kdy se dostane na trh? Již dnes vypadá objemný a drahý lithiový projekt Gigafactory Elona Muska jako dinosaurus industrialismu. Jakkoli však může být nová technologie revoluční, potřebná a šetrná k životnímu prostředí, neznamená to, že se k nám dostane za rok či dva. Svět kapitálu se nevyhne finančním šokům, ale těm technologickým se celkem úspěšně vyhýbá. V takových případech přicházejí na řadu zákulisní dohody mezi velkými investory a politickými hráči. Stojí za připomenutí, že Sunvault je společnost sídlící v Kanadě a v představenstvu jsou lidé, kteří, přestože mají rozsáhlé vazby na politickou elitu Spojených států, stále nejsou součástí jejího petrodolarového jádra, což je víceméně zřejmé. boj, proti kterému zřejmě již začal.
Co je pro nás nejdůležitější Příležitosti, které nabízejí nové energetické technologie: energetická nezávislost pro zemi a v budoucnu pro každého z jejích občanů. Grafenové superkondenzátory jsou samozřejmě spíše „hybridní“, přechodná technologie, která neumožňuje přímou výrobu energie, na rozdíl od magneto-gravitační technologie, které slibují naprostou změnu samotného vědeckého paradigmatu i vzhledu celého světa. Konečně existuje revoluční finanční technologie, které jsou globální petrodolarovou mafií vlastně tabu. Přesto se jedná o velmi působivý průlom, o to zajímavější, že se odehrává v „doupěti petrodolarové bestie“ – ve Spojených státech.
Ještě před šesti měsíci jsem psal o úspěších Italů v technologii studené fúze, ale během této doby jsme se dozvěděli o působivé technologii LENR americké společnosti SolarTrends a o průlomu německé Gaya-Rosch a nyní o skutečně revoluční technologie grafenových paměťových zařízení. I tento krátký výčet ukazuje, že problém není v tom, že by naše ani žádná jiná vláda neměla možnost snížit účty, které dostáváme za plyn a elektřinu, a to ani v netransparentním výpočtu tarifů.
Kořenem zla je nevědomost těch, kdo platí účty, a neochota těch, kdo je vystavují, cokoliv změnit . Jen pro obyčejné lidi je energie elektřina. Ve skutečnosti je energie vlastního já síla.

Vědecká publikace Science informovala o technologickém průlomu australských vědců v oblasti vytváření superkondenzátorů.

Zaměstnancům Monash University se sídlem v Melbourne se podařilo změnit technologii výroby superkondenzátorů vyrobených z grafenu tak, že výsledné produkty jsou komerčně atraktivnější než dříve existující analogy.

Odborníci již dlouho mluví o magických kvalitách superkondenzátorů na bázi grafenu a laboratorní testy nejednou přesvědčivě prokázaly fakt, že jsou lepší než konvenční. Takové kondenzátory s předponou „super“ očekávají tvůrci moderní elektroniky, automobilové společnosti a dokonce i stavitelé alternativních zdrojů elektřiny atd.

Extrémně dlouhý životní cyklus, stejně jako schopnost superkondenzátoru nabíjet se v co nejkratším čase, umožňují konstruktérům jejich použití při řešení složitých problémů při navrhování různých zařízení. Ale do té doby byl triumfální pochod grafenových kondenzátorů blokován jejich nízkou měrnou energií a... V průměru měl ionistor nebo superkondenzátor měrný energetický indikátor v řádu 5–8 Wh/kg, což na pozadí rychlého vybíjení činilo grafenový produkt závislým na nutnosti velmi častého dobíjení.

Australským zaměstnancům Department of Materials Manufacturing Research z Melbourne pod vedením profesora Dana Lee se podařilo zvýšit měrnou hustotu energie grafenového kondenzátoru 12krát. Nyní je toto číslo pro nový kondenzátor 60 W*h/kg, a to je již důvod mluvit o technické revoluci v této oblasti. Vynálezcům se podařilo překonat problém rychlého vybíjení grafenového superkondenzátoru a zajistit, že se nyní vybíjí pomaleji než dokonce i standardní baterie.

K tak působivému výsledku pomohl vědcům technologický objev: vzali adaptivní grafen-gelový film a vytvořili z něj velmi malou elektrodu. Vynálezci vyplnili prostor mezi grafenovými listy kapalným elektrolytem tak, že mezi nimi vznikla subnanometrová vzdálenost. Tento elektrolyt je přítomen i v klasických kondenzátorech, kde působí jako vodič elektřiny. Zde se stal nejen vodičem, ale i překážkou vzájemného kontaktu grafenových plátů. Právě tento pohyb umožnil dosáhnout vyšší hustoty kondenzátoru při zachování porézní struktury.

Samotná kompaktní elektroda byla vytvořena technologií, která je známá výrobcům papíru, který všichni známe. Tato metoda je poměrně levná a jednoduchá, což nám umožňuje být optimističtí ohledně možnosti komerční výroby nových superkondenzátorů.

Novináři spěchali, aby ubezpečili svět, že lidstvo dostalo podnět k vývoji zcela nových elektronických zařízení. Samotní vynálezci ústy profesora Leeho slíbili, že grafenovému superkondenzátoru velmi rychle pomohou pokrýt cestu z laboratoře do továrny.

Ať se vám to líbí nebo ne, éra elektromobilů se neustále blíží. A v současné době pouze jedna technologie brzdí průlom a převzetí trhu elektromobily, technologií skladování elektrické energie atd. Navzdory všem úspěchům vědců v tomto směru má většina elektrických a hybridních automobilů ve své konstrukci lithium-iontové baterie, které mají své kladné i záporné stránky a dokážou ujet na jedno nabití vozidla pouze na krátkou vzdálenost, postačující pouze na cestování v hranicích města. Všechny přední světové automobilky tento problém chápou a hledají způsoby, jak zvýšit efektivitu elektromobilů, které zvýší dojezd na jedno nabití baterie.

Jedním ze způsobů, jak zlepšit účinnost elektromobilů, je shromažďovat a znovu využívat energii, která se při brzdění vozu a při pohybu vozu po nerovném povrchu vozovky mění v teplo. Metody vracení takové energie již byly vyvinuty, ale účinnost jejího sběru a opětovného využití je extrémně nízká kvůli nízké provozní rychlosti baterií. Doba brzdění se obvykle měří v sekundách, což je příliš rychlé pro baterie, které se nabíjejí hodiny. Pro akumulaci „rychlé“ energie jsou proto zapotřebí jiné přístupy a akumulační zařízení, jejichž úlohou jsou nejspíše vysokokapacitní kondenzátory, tzv. superkondenzátory.

Bohužel superkondenzátory ještě nejsou připraveny vydat se na velkou cestu, přestože se umí rychle nabíjet a vybíjet, jejich kapacita je stále relativně nízká. Spolehlivost superkondenzátorů navíc zůstává nedostatečná: materiály použité v elektrodách superkondenzátorů se neustále ničí v důsledku opakovaných cyklů nabíjení a vybíjení. A to je stěží přijatelné vzhledem k tomu, že za celou dobu životnosti elektromobilu by počet provozních cyklů superkondenzátorů měl být mnohomilionkrát.

Santhakumar Kannappan a skupina jeho kolegů z Institute of Science and Technology, Gwangju, Korea, mají řešení výše uvedeného problému, jehož základem je jeden z nejúžasnějších materiálů naší doby - grafen. Korejští vědci vyvinuli a vyrobili prototypy vysoce účinných superkondenzátorů na bázi grafenu, jejichž kapacitní parametry nejsou horší než u lithium-iontových baterií, ale které jsou schopny velmi rychle akumulovat a uvolňovat svůj elektrický náboj. Navíc i prototypy grafenových superkondenzátorů vydrží mnoho desítek tisíc provozních cyklů, aniž by ztratily své vlastnosti.
Trik, jak dosáhnout tak působivých výsledků, je získat speciální formu grafenu, která má obrovský efektivní povrch. Vědci vyrobili tuto formu grafenu smícháním částic oxidu grafenu s hydrazinem ve vodě a rozdrcením pomocí ultrazvuku. Výsledný grafenový prášek byl zabalen do kotoučových pelet a sušen při teplotě 140 stupňů Celsia a tlaku 300 kg/cm po dobu pěti hodin.

Výsledný materiál se ukázal jako velmi porézní, jeden gram takového grafenového materiálu má efektivní plochu rovnou ploše basketbalového hřiště. Porézní charakter tohoto materiálu navíc umožňuje iontové elektrolytické kapalině EBIMF 1 M zcela zaplnit celý objem materiálu, což vede ke zvýšení elektrické kapacity superkondenzátoru.

Měření charakteristik experimentálních superkondenzátorů ukázala, že jejich elektrická kapacita je asi 150 Faradů na gram, hustota akumulace energie je 64 wattů na kilogram a hustota elektrického proudu je 5 ampérů na gram. Všechny tyto vlastnosti jsou srovnatelné s vlastnostmi lithium-iontových baterií, jejichž hustota akumulace energie se pohybuje od 100 do 200 wattů na kilogram. Tyto superkondenzátory však mají jednu obrovskou výhodu: dokážou plně nabít nebo uvolnit veškerý uložený náboj za pouhých 16 sekund. A tento čas je dosud nejrychlejším časem nabíjení a vybíjení.

Tato působivá sada vlastností plus jednoduchá výrobní technologie grafenových superkondenzátorů může ospravedlnit tvrzení výzkumníků, kteří napsali, že jejich „zařízení pro ukládání energie grafenových superkondenzátorů jsou nyní připravena na hromadnou výrobu a mohla by se objevit v nadcházejících generacích elektrických automobilů. “

Skupina vědců z Rice University upravila metodu, kterou vyvinuli, k výrobě grafenu pomocí laseru k výrobě superkondenzátorových elektrod.

Od svého objevu je grafen, forma uhlíku, jejíž krystalová mřížka je monatomicky tlustá, mimo jiné zvažován jako alternativa k elektrodám z aktivního uhlí používaných v superkondenzátorech, kondenzátorech s vysokou kapacitou a nízkými svodovými proudy. Čas a výzkum ale ukázaly, že grafenové elektrody nefungují o mnoho lépe než elektrody s mikroporézním aktivním uhlím, a to způsobilo pokles nadšení a omezení řady studií.

Nicméně, grafenové elektrody mají některé nepopiratelné výhody ve srovnání s porézními uhlíkovými elektrodami.

Grafenové superkondenzátory může pracovat na vyšších frekvencích a flexibilita grafenu umožňuje na jeho základě vytvářet extrémně tenká a flexibilní zařízení pro ukládání energie, která se ideálně hodí pro použití v nositelné a flexibilní elektronice.

Dvě výše uvedené výhody grafenových superkondenzátorů podnítily další výzkum skupiny vědců z Rice University. Upravili laserem podporovanou metodu výroby grafenu, kterou vyvinuli, k výrobě superkondenzátorových elektrod.

„To, čeho jsme dosáhli, je srovnatelné s výkonem mikrosuperkondenzátorů, které jsou dostupné na trhu s elektronikou,“ říká James Tour, vědec, který vedl výzkumný tým.„S naší metodou můžeme vyrábět superkondenzátory, které mají jakýkoli prostorový tvar. Když potřebujeme zabalit grafenové elektrody na dostatečně malou plochu, jednoduše je složíme jako list papíru.“

K výrobě grafenových elektrod vědci použili laserová metoda(laserem indukovaný grafém, LIG), ve kterém je silný laserový paprsek namířen na cíl vyrobený z levného polymerního materiálu.

Parametry laserového světla jsou voleny tak, aby z polymeru vypálily všechny prvky kromě uhlíku, který vzniká ve formě porézního grafenového filmu. Ukázalo se, že tento porézní grafen má dostatečně velký efektivní povrch, což z něj činí ideální materiál pro elektrody superkondenzátorů.

To, co činí zjištění týmu Rice University tak přesvědčivými, je snadnost výroby porézního grafenu.

„Výroba grafenových elektrod je velmi jednoduchá. To nevyžaduje čistou místnost a proces využívá konvenční průmyslové lasery, které úspěšně fungují na továrních podlahách a dokonce i venku,“ říká James Tour.

Kromě snadné výroby prokázaly grafenové superkondenzátory velmi působivé vlastnosti. Tato zařízení pro ukládání energie vydržela tisíce cyklů nabití a vybití bez ztráty elektrické kapacity. Navíc elektrická kapacita těchto superkondenzátorů zůstala prakticky nezměněna poté, co byl ohebný superkondenzátor deformován 8 tisíckrát za sebou.

„Ukázali jsme, že technologie, kterou jsme vyvinuli, může vyrábět tenké a flexibilní superkondenzátory, které se mohou stát součástmi flexibilní elektroniky nebo zdrojů energie pro nositelnou elektroniku, kterou lze zabudovat přímo do oblečení nebo předmětů každodenní potřeby,“ řekl James Tour.

Superkondenzátory lze nazvat nejjasnějším vývojem posledních let. Oproti klasickým kondenzátorům se při stejných rozměrech liší kapacitou o tři řády. Za tímto účelem dostaly kondenzátory svou předponu - „super“. Mohou uvolnit obrovské množství energie v krátkém časovém úseku.

Jsou k dispozici v různých velikostech a tvarech: od velmi malých, které se montují na povrch zařízení, o velikosti ne větší než mince, až po velmi velké válcové a hranolové. Jejich hlavním účelem je duplikovat hlavní zdroj (baterii) v případě poklesu napětí.

Energeticky náročné moderní elektronické a elektrické systémy kladou vysoké nároky na napájecí zdroje. Rozvíjející se zařízení (od digitálních fotoaparátů po elektronická ruční zařízení a přenosy elektrických vozidel) potřebují skladovat a dodávat potřebnou energii.

Moderní vývojáři řeší tento problém dvěma způsoby:

• Použití baterie schopné dodat vysoký proudový impuls
• Paralelním připojením k baterii jako pojistka pro superkondenzátory, tzn. "hybridní" řešení.

V druhém případě funguje superkondenzátor jako zdroj energie při poklesu napětí baterie. Je to dáno tím, že baterie mají vysokou hustotu energie a nízkou hustotu výkonu, zatímco superkondenzátory se naopak vyznačují nízkou hustotou energie, ale vysokou hustotou výkonu, tzn. poskytují vybíjecí proud zátěži. Zapojením superkondenzátoru paralelně s baterií jej můžete využívat efektivněji a prodloužit tak jeho životnost.

Kde se používají superkondenzátory?

Video: Test superkondenzátoru 116,6F 15V (6* 700F 2,5V), místo startovací baterie v autě

V automobilových elektronických systémech se používají ke spouštění motorů., čímž se sníží zatížení baterie. Umožňují také snížit hmotnost redukcí schémat zapojení. Hojně se používají u hybridních automobilů, kde je generátor řízen spalovacím motorem a auto pohání elektromotor (nebo motory), tzn. Superkondenzátor (energetická mezipaměť) se používá jako zdroj proudu při zrychlení a pohybu a při brzdění se „dobíjí“. Jejich použití je slibné nejen v osobních automobilech, ale také v městské dopravě, protože nový typ kondenzátorů umožňuje snížit spotřebu paliva o 50 % a snížit emise škodlivých plynů do životního prostředí o 90 %.

Baterii superkondenzátoru zatím úplně vyměnit nemůžu, ale je to jen otázka času. Použití superkondenzátoru místo baterie není vůbec fantastické. Pokud nanotechnologové z QUT University půjdou správnou cestou, pak se to v blízké budoucnosti stane realitou. Panely karoserie obsahující nejnovější generaci superkondenzátorů budou moci fungovat jako baterie. Zaměstnancům této univerzity se podařilo spojit výhody lithium-iontových baterií a superkondenzátorů v novém zařízení. Nový tenký, lehký a výkonný superkondenzátor se skládá z uhlíkových elektrod s elektrolytem umístěným mezi nimi. Nový produkt lze podle vědců nainstalovat kdekoli v těle.

Díky vysokému točivému momentu (rozběhovému momentu) dokážou zlepšit startovací vlastnosti při nízkých teplotách a nyní rozšířit možnosti energetického systému. Účelnost jejich použití v energetickém systému je vysvětlena skutečností, že jejich doba nabíjení/vybíjení je 5-60 sekund. Kromě toho je lze použít v rozvodném systému některých strojních zařízení: solenoidy, systémy seřízení dveřního zámku a polohy okenních skel.

DIY superkondenzátor

Superkondenzátor si můžete vyrobit vlastníma rukama. Vzhledem k tomu, že jeho konstrukce se skládá z elektrolytu a elektrod, musíte se rozhodnout o materiálu pro ně. Pro elektrody se docela hodí měď, nerez nebo mosaz. Můžete si vzít třeba staré pětikopky. Dále budete potřebovat uhlíkový prášek (aktivní uhlí si můžete koupit v lékárně a rozemlít). Jako elektrolyt poslouží obyčejná voda, ve které je potřeba rozpustit kuchyňskou sůl (100:25). Roztok se smíchá s práškem z dřevěného uhlí za vzniku tmelové konzistence. Nyní se musí nanést ve vrstvě několika milimetrů na obě elektrody.

Zbývá jen vybrat těsnění oddělující elektrody, jejichž póry bude volně procházet elektrolyt, ale uhlíkový prášek zůstane zachován. Pro tyto účely je vhodné sklolaminát nebo pěnová pryž.

Elektrody – 1,5; uhlík-elektrolytový povlak – 2,4; těsnění - 3.

Jako pouzdro můžete použít plastovou krabici, do které jste předtím vyvrtali otvory pro dráty připájené k elektrodám. Po připojení vodičů k baterii čekáme, až se nabije design „ionix“, pojmenován tak, protože na elektrodách by se měly tvořit různé koncentrace iontů. Jednodušší je kontrola nabití pomocí voltmetru.

Jsou i jiné způsoby. Například pomocí plechového papíru (alobal - obal od čokolády), kousků plechu a voskovaného papíru, které si vyrobíte sami nastříháním a ponořením proužků hedvábného papíru na pár minut do roztaveného, ​​ale ne vařícího parafínu. Šířka pásů by měla být padesát milimetrů a délka od dvou set do tří set milimetrů. Po vyjmutí proužků z parafínu je potřeba parafín seškrábnout tupou stranou nože.

Parafínem napuštěný papír je složen do tvaru harmoniky (jako na obrázku). Z obou stran jsou do mezer vsazeny staniolové plechy, které odpovídají velikosti 45x30 milimetrů. Takto připravený obrobek se složí a poté vyžehlí teplou žehličkou. Zbývající staniolové konce jsou navzájem spojeny zvenčí. K tomu lze použít kartonové destičky a mosazné destičky s cínovými sponami, na které se později připájejí vodiče, aby bylo možné při montáži připájet kondenzátor.

Kapacita kondenzátoru závisí na počtu staniolových listů. Rovná se například tisíci pikofaradům při použití deseti takových listů a dvěma tisícům, pokud se jejich počet zdvojnásobí. Tato technologie je vhodná pro výrobu kondenzátorů s kapacitou až pět tisíc pikofaradů.

Pokud je potřeba velká kapacita, pak je potřeba mít starý mikrofaradový papírový kondenzátor, což je role pásky skládající se z proužků voskovaného papíru, mezi které je položen pás staniolové fólie.

Pro určení délky proužků použijte vzorec:

l = 0,014 C/a, kde kapacita požadovaného kondenzátoru v pF je C; šířka pruhů v cm – a: délka v cm – 1.

Po odvinutí pásků požadované délky ze starého kondenzátoru odstřihněte ze všech stran 10mm fólii, aby se desky kondenzátoru vzájemně nespojily.

Pásku je potřeba znovu svinout, ale nejprve připájením lankových drátků ke každému pruhu fólie. Konstrukce je nahoře pokryta silným papírem a na okrajích papíru, které vyčnívají, jsou zataveny dva montážní dráty (tvrdé), ke kterým jsou na vnitřní straně papírového pouzdra připájeny vývody z kondenzátoru (viz obrázek). Posledním krokem je naplnění struktury parafínem.

Výhody uhlíkových superkondenzátorů

Vzhledem k tomu, že dnešní pochod elektrických vozidel po celé planetě nelze ignorovat, vědci pracují na problému souvisejícím s jejich nejrychlejším nabíjením. Vzniká mnoho nápadů, ale jen málo z nich je realizováno. Například v Číně byla zahájena neobvyklá městská dopravní trasa ve městě Ningbo. Autobus, který na něm jezdí, pohání elektromotor, ale nabíjení trvá jen deset sekund. Na něm urazí pět kilometrů a opět se při vystupování/sbírání cestujících stihne dobít.

To bylo možné díky použití nového typu kondenzátorů - uhlíkových.

Uhlíkové kondenzátory Vydrží zhruba milion nabíjecích cyklů a perfektně fungují v rozmezí teplot od minus čtyřiceti do plus pětašedesát stupňů. Rekuperací vrací až 80 % energie.

Zahájili novou éru v řízení spotřeby, zkrátili dobu vybíjení a nabíjení na nanosekundy a snížili hmotnost vozidla. K těmto výhodám můžeme přidat nízké náklady, protože se při výrobě nepoužívají kovy vzácných zemin a šetrnost k životnímu prostředí.