Nowatorski pomysł na materiały elektrodowe wykorzystywane w konstrukcji superkondensatorów ma zespół z Białegostoku. W skład tych urządzeń mają wchodzić węglowe "nanocebulki", czyli wielowarstwowe fulereny.
Superkondensatory – podobnie jak baterie – służą do gromadzenia energii (ładunku elektrycznego) i są one elektrochemicznymi źródłami zasilania. W odróżnieniu jednak od baterii bardzo szybko daje się je naładować i rozładować, a proces ten jest odwracalny - możliwy jest nawet milion cykli ładowania takiego urządzenia.
Baterie litowo-jonowe wydają się na razie nie do zastąpienia, ale mają sporo wad: energia magazynowana jest w postaci chemicznej, do ich produkcji potrzebne są coraz trudniejsze do pozyskania metale ziem rzadkich, ładuje się je dość długo i ograniczoną ilością razy (co zwiększa koszty utrzymania). Dodatkowo, substancje chemiczne, z których są wykonane, mogą stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa i środowiska.
Dlatego taką nadzieją są superkondensatory bazujące na materiałach organicznych. Choć istnieją już superkondensatory ładujące się tysiące razy szybciej niż baterie, to wciąż jednak nie są w stanie gromadzić wystarczająco wiele energii. Obecnie w bateriach litowo-jonowych można gromadzić 20 razy więcej energii niż w superkondensatorach.
Na razie więc baterie i superkondensatory uzupełniają się. I tak np. w samochodach hybrydowych czy pojazdach elektrycznych akumulatory dostarczają dużej ilości energii, aby pojazd mógł jak najdłużej jechać. A superkondensatory dostarczają moc, aby pojazd ruszył lub gwałtownie zahamował, przy jednoczesnej regeneracji takiego urządzenia.
Naukowcy szukają więc materiałów o lepszych parametrach - które będą jednocześnie gromadziły dużo energii i szybko się ładowały. Na razie w elektrodach superkondensatorów chętnie korzysta się z materiałów węglowych - choćby nanorurek, ale wciąż trwają poszukiwania materiałów, które spiszą się jeszcze lepiej.
- Pojedynczy fuleren to grafen zwinięty w kształt piłki - tłumaczy prof. Marta Płońska-Brzezińska z Zakładu Chemii Organicznej Uniwersytetu Medycznego w Białymstoku. W nanocebulkach węglowych zaś mniejsze fulereny uwięzione są wewnątrz coraz większych - tworząc coś w rodzaju kolejnych warstw cebuli (lub matrioszki). Nanocebulka węglowa zawiera średnio 10 takich coraz mniejszych węglowych piłek.
Nanocebulki węglowe są niezwykle trwałe, odporne na wysokie temperatury i mogą gromadzić dużo ładunku elektrycznego. Prof. Płońska-Brzezińska wyjaśnia, że "piłki węglowe" dają o wiele lepsze perspektywy niż płaskie materiały węglowe - choćby jeśli chodzi o ich domieszkowanie (czyli zastąpienie atomów jednych pierwiastków - innymi). W tym przypadku byłoby to zastępowanie niektórych atomów węgla atomami boru, azotu czy fosforu. W ten sposób w takich niejednorodnych strukturach będzie się dało zgromadzić efektywniej ładunek elektryczny, niż w grafenie czy nanorurkach. Dlatego jej zespół zaproponował wykorzystanie nanocebulek do konstrukcji superkondensatorów.
Sposób na produkcję nanocebulek jest już znany - informuje badaczka. Wiadomo, że można je produkować choćby z nanocząstek diamentu, obrabianych w odpowiednich warunkach. - Wbrew pozorom nanodiamenty wcale nie są drogie. I są komercyjnie łatwo dostępne - zaznacza profesor.
Badacze z zespołu prof. Marty Płońskiej-Brzezińskiej z Uniwersytetu Medycznego w Białymstoku, w publikacji w "Scientific Reports" (DOI: 10.1038/s41598-023-33874-w), pokazali niedawno, że w superkondensatorach zastosowanie mogą znaleźć wielowarstwowe fulereny w połączeniu z materiałami organicznymi (zbudowanymi głównie z węgla i azotu). Nanocebulki to więc tylko jeden ze składników "farszu", tworzącego elektrodę superkondensatora.
Materiały, o których mowa, są odporne na wysoką temperaturę (już teraz wytrzymują 600 stopni C), są świetnymi półprzewodnikami i gromadzą duże ilości ładunku. Materiał jest tak dobrany, aby powstał z nich porowaty szkielet węglowy. Przez ten szkielet błyskawicznie przechodzą jony niosące ładunek do elektrody, który gromadzony jest w materiale zawierającym nanocebulki węglowe. Ilość zgromadzonego ładunku jest wyrażona pojemnością właściwą materiału i wynosi ona 638 F/g. Jest to jedna z najwyższych wartości dla materiałów organicznych odnotowanych do tej pory w literaturze naukowej.
Naukowcy pracują teraz nad tym, aby jak najlepiej zestawić te dwa typy materiałów do wytwarzania elektrod superkondensatorów.
- W najbliższej przyszłości, w projektowaniu takich urządzeń o jak najlepszych właściwościach elektrochemicznych chcemy wykorzystać możliwości, jakie daje sztuczna inteligencja. Pomoże nam ona wyselekcjonować materiały z dużym potencjałem, które warto przetestować - zapowiada prof. Płońska-Brzezińska.
Źródło: www.naukawpolsce.pl, fot. Mstroeck/ Wikimedia Commons. Na zdjęciu model węglowej nanorurki.
