211service.com
Grafen pro zelenou mřížku
Velkou výzvou bude integrace nepravidelných zdrojů obnovitelné energie, jako je větrná a solární energie, s elektrickou sítí při zachování stabilního výkonu. Zařízení pro ukládání energie zvané ultrakondenzátory by mohly pomoci tím, že ukládají náhlé přepětí. Ale hodně bude záležet na vývoji nové generace ultrakondenzátorů s dostatečnou úložnou kapacitou, aby uspokojily pravděpodobnou poptávku.
Síla grafenu: Graphene Energy doufá, že grafenové elektrody, jako je tato, zvýší kapacitu akumulace energie a výkon ultrakondenzátorů. Tento obrázek, který ukazuje okraj grafenové elektrody, byl pořízen skenovacím elektronovým mikroskopem.
Grafenová energie , startup se sídlem v Austinu v Texasu doufá, že řešením budou ultrakondenzátory s elektrodami vyrobenými z grafenu – pláty uhlíku o tloušťce pouhého atomu. Skladovací kapacita ultrakondenzátoru je omezena pouze povrchem jeho elektrod a grafen nabízí způsob, jak výrazně zvětšit dostupnou plochu.
Ultrakondenzátory ukládají energii elektrostaticky, místo chemicky, jako v bateriích. Během nabíjení se elektrony dostávají na povrch jedné elektrody a na povrchu druhé elektrony se tvoří elektronové díry. To přitahuje kladné ionty v elektrolytu k první elektrodě a záporné ionty ke druhé. Naproti tomu chemické reakce používané k nabíjení baterií omezují rychlost, s jakou je lze nabíjet, a nakonec způsobují rozpad materiálů elektrod. Ultrakondenzátory lze nabíjet a vybíjet velmi rychle, během několika sekund, nikoli minut, a lze je nabít milionkrát, než se opotřebují.
Ultrakondenzátory, které jsou v současné době na trhu, se však nemohou rovnat bateriím z hlediska hustoty energie, takže se většinou používají v hybridních systémech vedle baterií nebo pro speciální aplikace. Protože tato zařízení dokážou zvládnout rychlý příliv velkého množství energie, často se používají k rekuperaci energie – například když městský autobus zabrzdí nebo portálový jeřáb spustí svůj náklad. Ultrakondenzátory použité tímto způsobem snížily o 40 procent energii, kterou potřebují některé jeřáby používané v japonských přístavech. Několik elektrických nástrojů, včetně elektrické vrtačky, využívá schopnosti rychlého nabíjení ultrakondenzátorů.
Graphene Energy doufá, že otevře nové ultrakondenzátorové aplikace vývojem zařízení s mnohem vyšším výstupním výkonem. Tyto ultrakondenzátory by snad mohly být použity k regulaci přepětí v elektrické síti nebo k napájení hybridních dopravních vozidel. Společnost má počáteční financování ve výši 500 000 USD na komercializaci grafenových ultrakondenzátorů vyvinutých společností Rodney Ruoff , profesor strojního inženýrství na Texaské univerzitě v Austinu. Ruoff je spoluzakladatelem společnosti Graphene Energy a slouží také jako technologický poradce společnosti.
Stávající ultrakondenzátory používají elektrody vyrobené z aktivního uhlí – porézního materiálu podobného dřevěnému uhlí, který má velmi velký povrch. Zásoby aktivního uhlí se nabíjejí v pórech podobných tunelu a trvá asi jednu sekundu, než se dostane dovnitř a ven. To je ve srovnání s nejrychlejšími bateriemi velmi rychlé, ale aktivní uhlí má omezený výkon.
Aby vytvořil grafen pro své elektrody, Ruoffův tým začíná vložením oxidu grafitu do vodného roztoku. To způsobí, že se materiál rozpadne na tenké vrstvy oxidu grafenu. Dále jsou atomy kyslíku odstraněny a zanechává grafen. Ruoffova laboratoř dosud vyrobila grafenové ultrakondenzátory, které odpovídají výkonu těm, které byly vyrobeny pomocí aktivního uhlí. S dalšími vylepšeními by podle něj měly překonat aktivní uhlí, i když kroky, které jeho společnost podniká, aby toho dosáhla, zůstávají utajeny.
Na základě popisu grafenových ultrakapacitorů zveřejněného loni v září v časopise Nano dopisy John Miller z JME, výzkumné a konzultační firmy, která se specializuje na elektrochemické kondenzátory, říká, že by skutečně mělo být možné zlepšit jejich výkon. Grafenová elektroda popsaná v tomto článku je zamotaná do koule jako zmačkaný kus papíru, říká Miller. Nemáte úplný přístup na povrch.
Pokud Graphene Energy dokáže zvětšit elektrody ve vertikálních polích, jako je řada dokonale plochých listů papíru stojících na okraji, Miller říká, že výkon by se mohl dramaticky zvýšit. V tomto uspořádání by byl každý jednotlivý atom uhlíku vystaven a schopen ukládat energii, prakticky bez čekání na to, aby náboj prošel tunely nalezenými v aktivním uhlí.
Kromě zlepšení výkonu svých ultrakondenzátorů však musí Graphene Energy také vyvinout metodu pro jejich výrobu ve větším měřítku – což je společný problém v celém výzkumu grafenu.
Dileep Agnihotri , generální ředitel společnosti Graphene Energy, říká, že společnost doufá, že otestuje svůj první prototyp produktu obsahujícího grafenové elektrody do konce tohoto roku.
Další skupina výzkumníků doufá, že vyrobí lepší elektrody ultrakondenzátoru pomocí uhlíkových nanotrubic – svinutých trubic z grafenu, které mají mnoho stejných vlastností. Myslím, že oba přístupy mohou v principu fungovat, říká Joel Schindall , profesor elektrotechniky a informatiky na MIT, který pracuje na elektrodách z nanotrubic. Klíčem bude správné nastavení procesu růstu a pak práce na způsobech, jak jej vyrobit nákladově efektivním způsobem.