Tartu ülikooli teadlased leiutasid meetodi grafeenist superkondensaatori pinge tõstmiseks   ({{contentCtrl.commentsTotal}})

Esmakordselt on saadud süsinikelektroodidega elektrokeemilise kondensaatori pinge üle nelja voldi. Tartu ülikooli rakenduselektrokeemia õppetooli teadur Tavo Romann selgitab, kuidas selline tehnoloogia töötab ja millised on kümnevoldise grafeenelektroodidega kondensaatori eelised madalapingeliste superkondensaatorite ees.

Superkondensaator on lihtne elektrienergia salvestamise seade, mis koosneb kahest suure eripinnaga süsinikelektroodist, need on eraldatud poorse membraaniga ja kastetud ioonjuhtiva elektrolüüdi lahusesse. Superkondensaatoril on kõrgem kasutegur, pikem eluiga ja suurem võimsus kui akudel, ent väiksem energiatihedus massiühiku kohta.

Suur võimsus tähendab, et superkondensaatori laadimine võtab kümme sekundit, seda akude tunni vastu. Väiksem energiatihedus tähendab, et kui liitium-ioon akuga sõidab elektriauto 160 kilomeetrit, siis superkondensaatoriga ainult 12 kilomeetrit.

Seega akut superkondensaator enamasti ei asenda, aga mõningaid rakendusi leidub näiteks elektriliste tõstukite näol või pidurdusenergia salvestamisel elektrirongides. Kõige suurem turul oleva klassikalise superkondensaatori energiatihedus on praegu kümme Wh/kg, mida toodab Tartust võrsunud ettevõte Skeleton Technologies. Siiski on üsna reaalne lähitulevikus uute grafeeni ja ioonsete vedelike tehnoloogiate kasutamisel kahekordistada superkondensaatorite energiatihedust.

Teisest küljest on superkondensaator suurema energiatihedusega kui tavalised kondensaatorid, ent oluliselt aeglasemad ja madalama pingega. Seega superkondensaator elektroonikaseadmete kondensaatoreid ei asenda, aga rakendusi leidub näiteks SSD ketastes oleva voolustabilisaatori näol.

Pinge tõus tähendab ka võimsuse tõusu

Pinge tõstmisel suureneb kondensaatori energia pingega ruudus ja samuti suureneb võimsus. Seetõttu on kondensaatori kasutamisel aku asendajana mõistlik välja pigistada võimalikult kõrge pinge. Elektroonikas sõltub pinge tõstmine süsteemi pingest, näiteks arvuti emaplaatidel on see tüüpiliselt viis volti. Siiani on kõrgeimad kaubanduses saadaolevate süsinik-süsinik superkondensaatorite pingeväärtused olnud kolm volti ja teaduspublikatsioonides usaldusväärselt kuni 3,5 volti.

Kõrgemat pinget ei saa rakendada, kuna elektrolüüdi ioonid lagunevad ära. Värskelt ilmunud ajakirja Journal of Power Sources artiklis "4-10 V kondensaatorid grafeeni-baasil elektroodidega ja ioonse vedeliku elektrolüüdiga" kirjeldatakse meetodit, kuidas tõsta elektrokeemilise grafeenist kondensaatori pinget. Meetodile on esitatud ka rahvusvaheline patenditaotlus.

Kõrge pingega grafeenist superkondensaator

Teatud koostisega ioonvedeliku kasutamisel grafeenist elektrood passiveerub ehk kattub õhukese dielektrilise kihiga, mis peatab keemilised reaktsioonid. Seega saab kasutada kõrgemat pinget, millega avaneb sellisele kondensaatorile palju suurem rakendusvaldkond.

Kondensaatorite maailmaturg moodustab kokku umbes 18 miljardit dollarit aastas ja suurem osa neist töötabki pingega 4-10 volti, seda näiteks mobiiltelefonides, arvutites ja mujal. Seega kandideerib leiutatud tehnoloogia palju suuremale turuosale, kui senituntud superkondensaatorid, mille turg on alla ühe miljardi dollari. Miks on küll suurima energiatihedusega superkondesaatorite turg nii väike, võrreldes alumiinium ja tantaal elektrolüütkondensaatoritega või keraamilise kondensaatoritega? Põhjuseks on väike siin pinge ja umbes kümnesekundiline täislaadimisaeg.

Uus kondensaator tuhat korda kiirem

Tavaline superkondensaator on liiga aeglane, et seda elektroonikas kasutada. Tüüpiline näide kondensaatori tööst on võrguvoolu silumine sülearvuti laadijates – 50 Hz võrguvoolu sagedus tähendab seda, et kondensaator peab saama laetud 0.01 sekundi jooksul. Kui superkondensaatoreid pinge tõstmiseks jadamisi ühendada, suureneb sisetakistus ja süsteem muutub veel aeglasemaks.

Leiutatud kondensaator jääb energiatiheduselt superkondensaatori ja elektrolüütkondensaatori vahepeale, see on 1000 korda kiirem kui tavaline superkondensaator, kuid energiatihedus on suurusjärk parem kui näiteks neljavoldisel tantaalkondensaatoril. Põhjuseks on asjaolu, et paagutatud tantaalpulber on maksimaalselt eripinnaga 10 m2/g, aga grafeen moodustab stabiilseid aatomipaksusi elektroodikihte eripinnaga üle 2600 m2/g. Samuti on redutseeritud grafeenoksiid odavam materjal kui tantaal, millest ongi valminud siiani parimad kondensaatorid vahemikus 4-10 volti.

Tõsi, valmis kondensaatoreid pole veel pakkuda, sest uus tehnoloogia on alles laborifaasis. Et kätte saada maksimaalset energiatihedust, tuleks iga pinge jaoks sünteesida täpse poorisuurusega süsinikelektrood – grafeenilehtede vahe võiks olla nii 15 – 80 nanomeetrit vastavalt nelja kuni kümne voldise pingega kondensaatori jaoks. See on ka põhjus, miks sobib leiutatud kondensaatorisse just grafeen – näiteks karbiidist sünteesitud süsinik on kasutamiseks liiga väikeste pooridega.

Grafeen tungib kondensaatoritesse ja seda protsessi on võimatu peatada. Aga grafeenist superkondensaatorite turulejõudmiseks läheb veel natuke aega. Superkondensaatorite pisikest turuosa (1 miljard dollarit aastas) on siiani peamiselt üritatud laiendada akude kasutusalade arvelt, kuna akude turg on suurusjärgus US$ 50 miljardit aastas. Käesolev leiutis aga konkureerib hoopis elektroonika kondensaatoritega, mille turu suurus on 18 miljardit dollarit aastas.

Kodune superkondensaator

Lihtsa superkondensaatori ehitamisega saab hakkama igaüks, kel leidub kodus näiteks veefiltrist saadavat aktiivsütt, samuti on vaja Toru-Siili, EPO liimi, keedusoola, paberit ja metallvõrku, milleks sobib näiteks panni peale asetatav õlipüüdurvõrk. Koduse superkondensaatori valmistamise juhend on toodud järgnevas videos. Originaalne video oli tehtud Novaatori teadusvideovõistluse jaoks 2011 aastal Taavi Oja esituses, juhendas Tavo Romann.

Tic-Tac superkondensaator

Toimetaja: Sven Paulus, Tartu ülikool

Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: