Czy w
najbliższym czasie czeka nas rewolucja w dziedzinie baterii? Czy superkondensatory
zastąpią baterie (akumulatory)? Wydaje się, że kiedyś tak. Znamy ograniczenia
współczesnych baterii i akumulatorów. Z punktu widzenia zwykłego użytkownika jest
to oczywiście stosunkowo krótki czas działania i długi czas ładowania. Myślę,
że każdy spotkał się z tym problemem podczas korzystania z telefonu komórkowego
(smartfonu).
Kondensatory,
a baterie
W
przeciwieństwie do kondensatorów i superkondensatorów , baterie przechowują
energię w oparciu o reakcję chemiczną. To ważna różnica i jednocześnie cecha. Superkondensator
magazynuje energię w polu elektrycznym bez reakcji chemicznych dzięki czemu można
go ładować i rozładowywać nieporównywalnie szybciej niż baterie.
Superkondensator
(materiały źródłowe: Internet)
Przez
analogię superkondensator możemy porównać do naczynia – małego, litrowego wiadra.
Bateria, natomiast, to trzy litrowa butelka z małym otworem - wylewką. W
pierwszym przypadku możemy za jednym razem, a więc bardzo szybko nabrać lub
wylać wodę, jednak będzie jej stosunkowo niewiele. W drugim przypadku zmieścimy
znacznie więcej wody, jednak aby to zrobić będziemy potrzebować dużo czasu w celu
napełnienia i opróżnienia.
Budowa
kondensatora i nowe technologie
Prosty kondensator
składa się z dwóch przewodników na przykład metalowych płyt oddzielonych
izolatorem. Takim izolatorem może być na przykład powietrze lub folia z
tworzywa sztucznego albo ceramiki. Podczas ładowania, ładunki ujemne - elektrony
gromadzą się na jednym przewodniku (elektroda), a dodatnie na drugim. Rozładowanie,
czyli przywrócenie stanu równowagi następuje w momencie, gdy zamkniemy obwód
pomiędzy elektrodami.
Superkondensatory stosują
tę samą zasadę, ale inne materiały. Jako elektrody stosuje się porowaty
materiał - węgiel aktywny, którego nierówna powierzchnia przypomina gąbkę. Izolację
stanowi elektrolit składający się z dodatnich i ujemnych jonów i rozpuszczalniku.
Podczas ładowania jony z elektrolitu ulegają rozdzieleniu i gromadzą się na
powierzchni każdej z płytek węgla.
Bardzo istotny i
ciekawy fakt jest taki, że w superkondensatorze, odległości pomiędzy między przeciwnie
naładowanymi elektrodami jest mierzony w nanometrach ( jedna tysięczna mikrona
) – dla porównania w klasycznych kondensatorach odległości „olbrzymie” i
wynoszą kilkadziesiąt mikrometrów.
Dlaczego tak bardzo ważne są odległości? Okazuje się, że im mniejsza odległość między oddzielonymi elektrodami, tym więcej energii można magazynować.
Ale to nie wszystko. Dodatkowo niezmiernie ważna jest powierzchnia elektrod i skład
elektrolitu. Ponieważ węgiel aktywny jest jak „gąbka", to powoduje, że w
swoich zakamarkach może schować olbrzymią ilość jonów.
Czy kondensatory mogą zastąpić
baterie?
Superkondensatory nadal
pozostają w tyle baterii pod względem zdolności magazynowania energii, ponieważ
mogą przechowywać tylko około 5 procent energii w porównaniu z akumulatorami
litowo-jonowymi .
Aktualnie
zastąpienie baterii jest technicznie możliwe w telefonach komórkowych. Telefon może
wówczas ładować się bardzo szybko. Ale zgromadzona energia przy dzisiejszych
superkondensatorach może starczyć na zaledwie 90 minut pracy co jest niepraktyczne
i uciążliwe dla użytkownika.
Superkondensatory są natomiast bardzo skuteczne w chwili nagłego przyjęcia lub
wyzwolenia energii, a to sprawia, że są dobrym partnerem dla baterii
litowo-jonowych. W przypadku samochodu elektrycznego, superkondensator może na
przykład dostarczyć moc niezbędną do przyspieszenia, przyspieszyć ładowanie, a bateria
zapewni odpowiedni zasięg.
Recepta na
rewolucję
Podstawowe sposoby
zwiększania skuteczności superkondensatorów są następujące :
- zwiększenie powierzchni powłoki płyty poprzez wykorzystanie nowych materiałów,
- modyfikacja składu elektrolitów,
- zmniejszenie odległości pomiędzy elektrodami.
Zwiększenie pola powierzchni można osiągnąć przy
użyciu nanorurek węglowych. Inni badacze , dostrzegają szansę wykorzystania grafenu
lub lepsza węgla aktywnego .
Naukowcy również eksperymentują z cieczami jonowymi będącymi składnikiem elektrolitów. Niestety takie ciecze są drogie i "kapryśne" - mają na przykład tendencję do zamrażania w temperaturach poniżej temperatury pokojowej.
0 komentarze:
Prześlij komentarz