Zamislite pametni telefon obučen u kućište koje ne služi samo za zaštitu, već služi i kao rezervoar električne energije, ili električni automobil u kome vrata i podna ploča skladište energiju kako bi je pokrenuli napred. Takve tehnologije će jednog dana možda postati stvarnost, zahvaljujući nedavnom radu inženjera na Kalifornijskom univerzitetu u San Dijegu.
Istraživači su razvili ono što se zove strukturni superkondenzator — uređaj koji pruža i strukturnu podršku i mogućnosti skladištenja energije. Takav uređaj bi mogao da doda više snage elektronskim uređajima i vozilima bez dodavanja dodatne težine, omogućavajući im da traju duže sa jednim punjenjem.
Iako koncept strukturalnih superkondenzatora nije sasvim nov, dugo je bio izazov stvoriti jedan uređaj koji se ističe i u podnošenju mehaničkih opterećenja i u efikasnom skladištenju električne energije. Tradicionalni superkondenzatori su odlični u skladištenju energije, ali im nedostaje mehanička čvrstoća da služe kao strukturne komponente. Sa druge strane, strukturni materijali mogu pružiti podršku, ali ne uspijevaju kada je u pitanju skladištenje energije.
Sada je tim koji predvodi Tse Nga (Tina) Ng u saradnji sa Ksinju Džangom, oboje profesorima elektrotehnike i računarstva na UC San Diego, postigao najbolje od oba sveta u novom strukturnom superkondenzatoru, objavljenom nedavno u Science Advances.
Kao dokaz koncepta, istraživači su koristili svoj strukturni superkondenzator za izgradnju minijaturnog čamca na solarni pogon. Superkondenzator je oblikovan tako da formira trup čamca, a zatim je opremljen malim motorom i strujnim kolom. Kolo je bilo povezano na solarnu ćeliju. Kada je izložena sunčevoj svetlosti, solarna ćelija puni superkondenzator, koji zauzvrat pokreće motor čamca. U testovima, čamac je mogao da krstari preko vode, demonstrirajući efikasnost ovog inovativnog rešenja za skladištenje energije.
Uređaj se sastoji od standardnih komponenti superkondenzatora: par površina elektroda odvojenih elektrolitom, što olakšava protok jona između elektroda. Ono što izdvaja ovaj uređaj je kombinacija materijala odabranih da povećaju i mehaničku snagu i elektrohemijske performanse. Zasluge: Univerzitet Kalifornije – San Dijego
Elektrode su napravljene od ugljeničnih vlakana utkanih u tkaninu. Ova tkanina od karbonskih vlakana sama po sebi pruža značajnu strukturnu čvrstoću. Štaviše, obložen je specijalnom mešavinom koja se sastoji od provodnog polimera i redukovanog grafenskog oksida, što značajno povećava protok jona i kapacitet skladištenja energije.
Čvrsti elektrolit, još jedna kritična komponenta, je mešavina epoksidne smole i provodnog polimera koji se zove polietilen oksid. Epoksidna smola nudi strukturnu podršku, dok ugradnja polietilen oksida podstiče pokretljivost jona stvaranjem mreže pora kroz elektrolit.
Ključna karakteristika dizajna je da koncentracija polietilen oksida varira u elektrolitu, stvarajući ono što je poznato kao gradijenti koncentracije. Područja u blizini elektroda imaju veću koncentraciju polietilen oksida. Ova konfiguracija pomaže jonima da teče brže i slobodnije na interfejsu elektroda-elektrolit, povećavajući elektrohemijske performanse.
Međutim, veća koncentracija polietilen oksida dovodi do većeg broja pora, slabljenja materijala. Da bi se postigao balans, centralni deo elektrolita je napravljen sa nižom koncentracijom polietilen oksida, osiguravajući da može da pruži strukturnu podršku uz održavanje efikasnog protoka jona.
„Ova konfiguracija gradijenta je trik za postizanje optimalnih performansi u elektrolitu“, rekao je Ng. „Umesto da koristimo jednu konfiguraciju elektrolita, strukturirali smo je tako da ivice koje dodiruju elektrode imaju veće električne performanse, dok je sredina mehanički jača.“
Iako ovo predstavlja značajan napredak ka strukturnom skladištenju energije, istraživači napominju da ima još mnogo posla da se uradi. Superkondenzatori generalno imaju veliku gustinu snage, što znači da mogu brzo da isporuče velike navale energije, ali obično imaju nižu gustinu energije u poređenju sa baterijama.
„Naš budući rad će se fokusirati na povećanje gustine energije našeg superkondenzatora i njegovo upoređivanje sa nekim baterijama“, rekao je prvi autor studije Lulu Jao, doktor nauka o materijalima i inženjerstvu. student u Ng-ovoj laboratoriji. „Krajnji cilj bi bio da se postigne i veća gustina energije i gustina snage.“
