Grafenové superkondenzátory kombinujúce jedinečné výhody ukladania veľkej energie v krátkom časovom období a jej rýchlu návratnosť, v kombinácii s lítiovými batériami môžu výrazne znížiť hmotnosť pohonnej jednotky a výrazne zvýšiť dojazd a výkon elektrických vozidiel.

            Vedci z Kalifornskej univerzity v Riverside vyvinuli grafénovú penu modifikovanú oxidom kovu, ktorá sa môže použiť na zvýšenie výkonu superkondenzátorov (energetickej hustoty, aj času nabíjania). Vedci tvrdia, že táto nová pena pomôže  vytvoriť  nové superkondenzátory, ktoré akumulujú podstatne viac energie ako moderné  zariadenia na akumulovanie energie. 

            Vedci na univerzite Georga Washingtona vyvinuli superkondenzátory na báze uhlíkových nanorúrok a kompozitných materiálov na báze grafénu, ktoré kombinujú vysokú energetickú hustotu a nízke výrobné náklady. Špecifická kapacita zariadenia je trikrát vyššia ako kapacita kondenzátora s čistou nanotrubkou. Vedci to vysvetľujú tým, že hybridná štruktúra je efektívnešia, pretože grafénové vločky poskytujú veľkú plochu povrchu a dobrú vodivosť v rovine, zatiaľ čo uhlíkové nanorúrky spájajú všetky štruktúry do jednej siete.Výrobný postup je navyše jednoduchý, rozšíriteľný a lacný. Modifikovaná pena oxidu kovového grafénu sa používa na zvýšenie výkonu superkondenzátorov.

Výskumníci z Sungkyunkwan z Kórey vyvinuli nové superkondenzátory, ktoré sa dokážu nabíjať 1 000-krát rýchlejšie ako súčasné superkondenzátory s použitím grafénu, a popri tom majú trojnásobnú kapacitu. Na dosiahnutie krátkej doby nabíjania (a vybíjania) vedci používali vertikálne orientované vločky oxidu grafénu. Vytvorili film oxidu grafénu s použitím uhlíkovej nanotrubky a potom pomocou rezania a tepelného spracovania vyvinuli vertikálne štruktúrované grafénové elektródy. To všetko vedie k tvorbe elektród, ktoré pracujú oveľa rýchlejšie ako tuhý a vertikálne štruktúrovaný grafén používaný v existujúcich superkondenzátoroch. Táto flexibilná konštrukcia superkondenzátora grafénu dokáže uložiť 10-krát viac energie ako doterajšia technológia.

Výhody uhlíkového superkondenzátora Nawa

 Výhody superkondenzátora sú nepopierateľné. Začnime s tým, že jeho rýchlosť nabíjania a vybíjania je v porovnaní s batériami až 1000-krát rýchlejšia. Hovoríme o nabíjaní celej autobatérie za niekoľko sekúnd, niekoľkokrát rýchlejšie ako naplnenie nádrže fosílnymi palivami. Pretože v nej nedochádza k žiadnym chemickým reakciám, ale dochádza iba k fyzickej separácii protónov a elektrónov, ultra rýchle nabíjanie nespôsobuje zahrievanie  batérií. To poskytuje superkondenzátoru z uhlíkového grafénu  mimoriadne dlhou životnosť –  až milión cyklov nabíjania. Tieto superkondenzátory s uhlíkovými nanorúrkami môžu dosiahnuť prielom vo svete elektrických vozidiel zvýšením ich výkonu, dojazdu a energetickej účinnosti.

Vybíjacia rýchlosť superkondenzátora je ďalšou výhodou oproti lítiovým batériám. Vo výkonných elektrických vozidlách pomalšie vybíjanie batérií často znamená, že na zvýšenie výkonu je potrebné zvýšiť kapacitu batérií. Pre superkondenzátor na báze grafénu to vôbec nie je problém, pretože sa vybíja dostatočne rýchlo na to, aby vedel dodať obrovskú energiu aj pri  svojej obmedzenej kapacite.

   Hlavnou výhodou superkondenzátora z uhlíkového grafénu sú však jeho environmentálne prínosy. Ekologická prijateľnosť projektu spočíva v tom, že pri výrobe sa nepoužívajú lítium, kobalt a kovy vzácnych zemín, ktoré znečisťujú životné prostredie a sa ťažko ťažia. Superkondenzátory používajú iba uhlík a hliník.

Problémy a riešenia

             Okrem skutočnosti, že vývoj je stále v koncepčnej fáze, stále existujú určité  problémy:

 Po prvé, tieto superkondenzátory majú stále nižšiu energetickú hustotu ako najlepšie lítiové batérie. Zatiaľ hustota výkonu (výstupný výkon na jednotku hmotnosti) nekonkuruje lítiu. Preto bude autobatéria na báze superkondenzátora oveľa väčšia, ako lítiová.

Po druhé, kondenzátory strácajú energiu (samovybíjanie) počas dlhodobého skladovania. Auto v garáži stratí každý deň asi 10 – 20 percent energie. Ak sa však superkondenzátory nabíjajú tak rýchlo, majiteľ sa o to nemusí veľa starať

Po tretie, superkondenzátory sú vyrobené z grafénu, ktorý je dnes dosť drahý a vyrába sa v obmedzenom množstve. Ale veda a technológia sa rýchlo rozvíjajú. Určite sa čoskoro nájdu nové spôsoby výroby veľkého množstva grafénu za nízku cenu. Príkladom sú prvé mikročipy alebo mobilné telefóny, ktoré boli kedysi tiež dosť drahé. 

 Superkondenzátory sú veľmi efektívne pri prijímaní alebo prenose značného množstva energie, čo z nich robí vhodného „partnera“ pre batérie. Primárne zdroje energie, ako sú motory s vnútorným spaľovaním, palivové články a batérie, fungujú dobre ako nepretržitý zdroj s nízkym výkonom, ale nedokážu efektívne zvládnuť špičkové energetické potreby, alebo okamžite zachytiť energiu. Batérie sa nabíjajú a vybíjajú dosť pomaly.  Superkondenzátory poskytujú rýchly energetický výdaj pri potrebe na dodávku maximálnej energie a potom naopak, rýchlo zachytávajú a akumulujú nadbytočnú energiu, ktorá bez ich použitia by bola jednoducho stratená.             V prípade elektrického vozidla môže grafenový superkondenzátor poskytovať potrebnú energiu na zrýchlenie, zatiaľ čo batéria poskytuje dojazd a dobíja superkondenzátor  pri zmenách napätia.

Nová hybridná technológia: grafenové superkondenzátory + lítiové batérie = optimálny variant

            Celý potenciál grafénového superkondenzátora sa dá využiť, keď sa pripojí k lítiovej batérii. Hybridný systém lítium-uhlíkových batérií môže ponúknuť to najlepšie z oboch svetov – dlhodobé nepretržité jazdenie a dlhodobé skladovanie energie vďaka lítiovému bloku, ako aj ultrarýchle čiastočné nabíjanie a extrémny výkon vďaka superkondenzátorom. Tento typ hybridného systému má ďalšiu skrytú výhodu: rekuperatívne brzdenie by mohlo byť pri využití brzdnej energie podstatne efektívnejšie.

            Moderné rekuperačné systémy sú pri ukladaní brzdnej energie späť do batérie zatiaľ nie dosť efektívne, nakoľko strácajú väčšinu energie generovanej kolesami jednoducho preto, že sa lítiová batéria   nabíja dosť pomaly. Nestačia totiž tak rýchlo prebiehať potrebné chemické reakcie. Preto sa väčšina energie pri rekuperatívnom brzdení stráca vo forme tepla –  asi 80 percent. Elektromotory veľmi efektívne generujú túto energiu pri brzdení, ale batéria jednoducho nemôže prijímať prúd pri vysokých rýchlostiach nabíjania. 

            Ak kombinujeme technológiu superkondenzátora s lítiovou batériou, budeme môcť získať až 90 percent tejto energie. V elektrických vozidlách by bol taký systém najúčinnejší: ušetril by takmer všetku brzdnú energiu a potom by ju vrátil vysokým výkonom na potrebné zrýchlenie vozidla. Z tohto dôvodu môžeme kombináciou superkondenzátorov s lítiovou batériou znížiť veľkosť a hmotnosť batérie o jednu tretinu. Potom bude možné prejsť s týmto systémom  na väčšiu vzdialenosť, pretože energia sa bude využívať oveľa efektívnejšie. 

Toto nie je fikcia – je to realita zajtrajška 

            Vedci sú optimistickí. Úspešné uloženie veľkého množstva energie v kompaktnom systéme je významným krokom k pokrokovej technológii jej skladovania. Grafenový superkondenzátor sa rýchlo nabíja, môžete ovládať jeho výkon, má trvanlivosť a flexibilitu, vďaka čomu je ideálny na použitie v miniatúrnej elektronike a elektrických vozidlách.               Potenciál týchto ultrarýchlych grafenových superkondenzátorov je pôsobivý. Napríklad, keďže v automobilovom svete neexistujú žiadne obmedzenia týkajúce sa spôsobu nabíjania elektrických vozidiel, otvárajú sa nové zaujímavé nápady na indukčné nabíjanie. Predstavte si, že jednoducho jazdíte autom po sídlisku, alebo okolo elektrickej nabíjačky, na ktorej je namontovaná induktívna nabíjacia stanica (napríklad pod vozovkou), platíte on-line za nabitie a odchádzajte bez zastavenia. Takýto parameter, ako je dojazd elektrického vozidla, sa stane prakticky irelevantným, ak ho dokážete nabíjať tak rýchlo aj na cestách

Zdroj obsahu :

naukatehnika