Tanie superkondensatory z węgla drzewnego

wegiel

Naukowcy z University of Illinois poinformowali, że odpady drzewne mogą posłużyć do produkcji superkondensatorów, o mocy podobnej do wytwarzanych obecnie superkondensatorów z węgli aktywnych. Oprócz tego, odnawialny i przyjazny dla środowiska produkt ma kosztować bardzo niewiele.

Superkondensatory to urządzenia do magazynowania energii elektrycznej, które wykazują niezwykle dużą pojemność elektryczną. Działają podobnie do powszechnie znanych urządzeń magazynujących energię jak baterie czy akumulatory. Jednak w porównaniu do nich, w mechanizmie składowana energii elektrycznej w superkondensatorach nie biorą udziału żadne reakcje chemiczne. Obecnie rozróżnia się dwa rodzaje konstrukcji: superkondensatory zwijane oraz składane. Superkondensatory zwijane mają większą gęstość energii niż superkondensatory składane, ale znacznie mniejszą moc.

W porównaniu do klasycznych baterii superkondensatory cechuje duża szybkość ładowania, wysoka sprawność (powyżej 95%), niska toksyczność, szeroki zakres temperatur pracy, niskie koszty na jednostkę pojemności oraz eksploatacyjne, a także bardzo długa żywotność (najnowsze modele wytrzymują ponad milion cykli ładowania/rozładowania). Wadami są mała ilość gromadzonej energii na jednostkę masy urządzenia, małe dopuszczalne napięcia pracy (2-3 V) i szybsze rozładowanie.

Zasada działania superkondensatora jest prosta. Dwie porowate elektrody, pomiędzy które przyłożone jest napięcie zanurzone są w elektrolicie. Elektrody posiadają miniotworki (pory) w celu zwiększenia powierzchni kontaktu z elektrolitem a zarazem reaktywności. Przyłożone napięcie powoduje powstanie gradientu (różnicy) stężeń jonów (nośników prądu) na każdej z elektrod. Pojemność superkondensatora jest proporcjonalna do ich powierzchni, a odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy nimi.

Obecnie stosowane elektrody z węgli aktywnych produkuje się z paliw kopalnych. Zwiększenie ilości porów oraz optymalizacja ich sieci jest kosztowa i skomplikowana (konieczne jest użycie drogich i żrących środków chemicznych). Naukowcy z Illinois przedstawili alternatywę w postaci odpadów drzewnych przetworzonych w procesie pirolizy. Piroliza, czyli sucha destylacja to rozkład biomasy lub innego paliwa stałego (drewna) w odpowiedniej temperaturze, przy bardzo małym dostępie tlenu. Węgiel drzewny powstały w procesie pirolizy posiada naturalną strukturę porów wymaganą do transportu dużej ilości jonów w superkondensatorach.

superkondensatory

Do produkcji ekologicznych superkondensatorów wykorzystano odpady z czerwonego cedru. Proces pirolizy zachodził w temperaturze 750°C przez około jedną godzinę. Aktywacja węgla drzewnego nastąpiła poprzez kąpiel w rozcieńczonym kwasie azotowym. Kwas zmył popiół (węglany wapnia, węglany potasu i inne zanieczyszczenia), a otrzymany roztwór azotanów może posłużyć jako nawóz. Otrzymana porowata struktura posiadała powierzchnię właściwą o wielkości około 400 metrów kwadratowych na gram. Poziom wagowej zawartości węgla wyniósł 98% a jedynym wykrywalnym zanieczyszczeniem był tlen.

Pierwsze badania wykazały, że elektrody pozostały w dobrej kondycji po 5000 cykli ładowania/rozładowania, bez zmniejszenia sprawności urządzenia. Pojemność wynosiła około 115 F/g. Naukowcy oświadczyli, że koszt ich prostej metody produkcji jest 5 do 10 razy niższy od tej związanej z węglem aktywnym pozyskiwanym z paliw kopalnych. Dodatkowo, kiedy elektroda z biowęgla się zużyje, będzie mogła zostać rozdrobniona i wykorzystana do użyźnienia gleby. Inżynierowie sugerują, że dalsze prace nad poprawą pojemności oraz połączenie niskich kosztów i wysokiej sprawności wpłyną na potencjalne zastosowanie elektrod z węgla drzewnego przy budowie superkondensatorów. Duża powierzchnia, dobra przewodność, stabilność elektrochemiczna i unikalna struktura mikroporów to cechy obiecującego materiału do przechowywania energii przy jednoczesnej trosce o środowisko.

Źródło:
[1] Highly ordered macroporous woody biochar with ultra-high carbon content as supercapacitor electrodes. Junhua Jianga, Lei Zhangb, Xinying Wanga, Nancy Holma, Kishore Rajagopalana, Fanglin Chenb, Shuguo Mac. Electrochimica Acta Volume 113, 15 December 2013, Pages 481–489
[2] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468613018859 | 30.10.2013
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor | 30.10.2013
[4] Maxwell Ultracapacitors by Maxwell Technologies, Inc., Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
[5] Charcoal2 by Ischaramoochie, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *