Uued tugevad superkondensaatorid

Ameerika Ühendriikide teadlased töötasid hiljuti välja tahkiselise superkondensaatori, mis on võimeline töötama ka sellele mõjuvate suurte jõudude ja vibratsioonide korral. Erinevalt traditsioonilistest superkondensaatoritest, ei delamineeru antud seade sellele mõjuvate suurte jõudude korral. See uus seade võib viia mitmete praktiliste rakendusteni, seehulgas lihtsalt efektiivsematest seadmetest kuni taastuvenergia salvestamiseni.

Erinevalt akudest, mis töötavad tänu keemilistele reaktsioonidele, salvestavad superkondensaatorid energiat tänu elektriliselt laetud ioonidele, mis kogunevad poorsete elektroodide pinnale. Lisaks on superkondensaatoritel mitmeid eeliseid: nad laaduvad ja tühjenevad kõigest minutite jooksul (akude puhul võtab see aega mitmeid tunde) ning neil on palju pikem eluiga, kestes tuhandete tsüklite asemel miljoneid. Superkondensaatorite miinuseks on aga nende väiksem laengumahtuvus – kindla laengu hoidmiseks peab enamik superkondensaatoreid olema palju suuremad ja raskemad kui võrdsete näitajatega liitium-ioon akud.

Raskekaaluline salvestamine

Selle piirangu eemaldamise üheks võimaluseks on valmistada superkondensaator, mis käituks nii energiasalvesti kui ka struktuurse toena. Struktuursete materjalide kui üldiselt üleliigse kaalu teistmoodi kasutamisel saaks kiiresti laaduvaid ja kauakestvaid superkondensaatoreid kasutada ilma sisemist spetsiaalset energiaallikat kasutamata. Sellisel struktuursel superkondensaatoril oleks mitmeid potentsiaalseid rakendusi, seehulgas näiteks sülearvuti, mille korpus oleks lisaks ka aku, hoonete seintesse salvestatav taastuv elektrienergia või isegi kiiresti laaduv elektriauto, mis salvestab energiat omaenda raamis. Sturktuurse seadmena kasutamiseks peab selline superkondensaator olema võimeline taluma suuri jõude ja vibratsioone. Traditsioonilised superkondensaatorid selle ülesandega toime ei tule – oma kihilise struktuuri tõttu kipuvad nende elektroodid ja elektrolüüdid suurte jõudude korral üksteisest eralduma.

Tugevad sidemed

Selle probleemi ületamiseks valmistasid Tennessee Ülikooli teadlased eesotsas Cary Pintiga superkondensaatori, mille kihid on üksteisega paremini seotud. Antud ülesehituses mängivad olulist rolli elektroodid, mis on valmistatud räni-pooljuhtplaatidest, mille sisekülgi on nanoskaalas pooridega kaetud pinna saamiseks elektrokeemiliselt söövitatud. Hiljem kaetakse need poorsed pinnad üliõhukese kaitsva süsinikkihiga ning surutakse seejärel vaakumi abil ümber ioonjuhtiva polümeeri. Selline polümeerist elektrolüüt imendub räni nanopooridesse, tekitades tugeva mehaanilise sideme mille lõhkumine on keeruline.

Pärast mitmeid katseid leidsid teadlased, et uue seadme energiatihedus on kuni 10 Wh/kg ning see töötab ideaalselt ka kuni 303,3 kPa suuruse rõhu ning rohkem kui 80 g suuruste vibratsiooniliste kiirenduste korral. Selline vibratsiooniline kiirendus on suurem kui jõud töötavas reaktiivmootoris.  Kuigi struktuurseid superkondensaatoreid on valmistatud ka varem (peamiselt süsinikkiudude abil), on antud töörühma saavutatud laengusalvestus 3-4 korda suurem – võrreldav tavaliste tööstuslike superkondensaatoritega. Uurimust juhtinud Cary Pint märkis, et antud seadme tööomadused ei muutunud ka siis, kui sellele rakendada kas survestavaid, venitavaid, nihestavaid jõude, suure amplituudiga võnkeid või kokkupõrkejõude. Ta lisas, et ka sellise sedame tootmisprotsess on lihtsam kui tavalistel superkondensaatoritel ning hõlmab väiksemat finantseeringut, sest nii komponentide materjalid kui ka tootmisprotsess ise on võrdlemisi odavad. Seadme ehitamisel kasutatud osad on ka loodussõbralikud ja tulekindlad – mõlemad aspektid on liitium-ioon akude puhul tihti ohutusalasteks mureallikateks.

Philadelphia Drexeli Ülikooli teadlane Vadym Mochalin lisas: ,,Antud uurimus on suurepäraseks lisaks uurimustele, mida on tehtud laiemal elektrokeemiliste energiasalvestussüsteemide mehaaniliselt robustsete elektroodide alal. Loodetavasti inspireerib see teadlasi valmistama sarnase ülesehitusega liitium-ioon akusid, kiipidele paigaladatud mikro-superkondensaatoreid, sensoreid ja muid seadmeid.”

Allikas: Strutural supercapacitors take a load on

Uurimustöö: A Multifunctional Load-Bearing Solid-State Supercapacitor