211service.com
Grafen til det grønne gitter
Det bliver en stor udfordring at integrere uregelmæssige kilder til vedvarende energi, såsom vind og sol, med det elektriske net, samtidig med at strømudgangen holdes stabil. Energilagringsenheder kaldet ultrakondensatorer kunne hjælpe ved at gemme pludselige strømstigninger. Men meget vil afhænge af at udvikle en ny generation af ultrakondensatorer med tilstrækkelig lagerkapacitet til at imødekomme den sandsynlige efterspørgsel.
Grafen kraft: Graphene Energy håber, at grafenelektroder som denne vil øge energilagringskapaciteten og udgangseffekten af ultrakondensatorer. Dette billede, som viser kanten af en grafenelektrode, blev lavet med et scanningselektronmikroskop.
Grafen energi , en startup baseret i Austin, TX, håber, at ultrakondensatorer med elektroder lavet af grafen - plader af kulstof kun et atom tykt - vil være løsningen. Lagerkapaciteten af en ultrakondensator er kun begrænset af overfladearealet af dens elektroder, og grafen tilbyder en måde at øge det tilgængelige areal markant.
Ultrakondensatorer lagrer energi elektrostatisk i stedet for kemisk, som i batterier. Under opladning kommer elektroner til overfladen af den ene elektrode, og elektronhuller dannes på overfladen af den anden. Dette trækker positive ioner i en elektrolyt til den første elektrode og negative ioner til den anden. Derimod begrænser de kemiske reaktioner, der bruges til at oplade batterier, den hastighed, hvormed de kan oplades, og i sidste ende får elektrodematerialerne til at bryde ned. Ultrakondensatorer kan oplades og aflades meget hurtigt, på sekunder i stedet for minutter, og kan genoplades millioner af gange, før de er slidte.
Ultrakondensatorer, der i øjeblikket er på markedet, kan dog ikke matche batterier for energitæthed, så de bruges mest i hybridsystemer sammen med batterier eller til nicheapplikationer. Fordi disse enheder kan håndtere en hurtig tilstrømning af store mængder energi, bruges de ofte til at genvinde energi – for eksempel når en bybus bremser, eller en portalkran sænker sin last. Ultrakondensatorer anvendt på denne måde har reduceret med 40 procent den energi, som nogle kraner har brug for i japanske havne. Nogle få elværktøjer, inklusive en elektrisk boremaskine, drager fordel af ultrakondensatorernes hurtige genopladningsevne.
Graphene Energy håber at åbne op for nye ultrakondensatorapplikationer ved at udvikle enheder med langt højere effekt. Disse ultrakondensatorer kunne måske bruges til at regulere overspændinger i det elektriske net eller til at drive hybride transportkøretøjer. Virksomheden har $500.000 i startfinansiering til at kommercialisere grafen-ultrakondensatorer udviklet af Rodney Ruoff , professor i maskinteknik ved University of Texas i Austin. Ruoff er medstifter af Graphene Energy og fungerer også som virksomhedens teknologirådgiver.
Eksisterende ultrakondensatorer bruger elektroder lavet af aktivt kul - et porøst, kullignende materiale, der har et meget stort overfladeareal. Aktivt kullagre oplades i tunnellignende porer, og det tager omkring et sekund for det at rejse ind og ud. Dette er meget hurtigt sammenlignet med de hurtigste batterier, men aktivt kul har en begrænset effekt.
For at lave grafen til dets elektroder starter Ruoffs team med at putte grafitoxid i en vandopløsning. Dette får materialet til at flage til atomtynde plader af grafenoxid. Dernæst fjernes iltatomerne og efterlader grafenen. Hidtil har Ruoffs laboratorium lavet grafen-ultrakondensatorer, der matcher ydeevnen af dem, der er fremstillet ved hjælp af aktivt kul. Med yderligere forbedringer, siger han, burde de overgå aktivt kul, selvom de skridt, hans virksomhed tager for at opnå dette, forbliver hemmelige.
Baseret på en beskrivelse af grafen-ultrakondensatorerne offentliggjort i september sidste år i tidsskriftet Nano bogstaver , siger John Miller fra JME, et forsknings- og konsulentfirma, der er specialiseret i elektrokemiske kondensatorer, at det faktisk burde være muligt at forbedre deres ydeevne. Grafenelektroden, der er beskrevet i dette papir, er vattet ind i en kugle som et krøllet stykke papir, siger Miller. Du har ikke fuld adgang til overfladen.
Hvis Graphene Energy kan dyrke elektroderne i lodrette arrays, som en række helt flade ark papir, der står på kanten, siger Miller, at udgangseffekten kan øges dramatisk. I dette arrangement ville hvert enkelt kulstofatom blive udsat og i stand til at lagre energi, med praktisk talt ingen ventetid for ladningen til at rejse ned i tunnelerne fundet i aktivt kul.
Ud over at forbedre ydeevnen af sine ultrakondensatorer skal Graphene Energy dog også udvikle en metode til at lave dem i større skalaer – en fælles udfordring på tværs af al grafenforskning.
Dileep Agnihotri , CEO for Graphene Energy, siger, at virksomheden håber at teste sit første prototypeprodukt med grafenelektroder inden udgangen af dette år.
En anden gruppe forskere håber at kunne lave bedre ultrakondensatorelektroder ved hjælp af kulstofnanorør – sammenrullede rør af grafen, der har mange af de samme egenskaber. Jeg tror, at begge tilgange kan fungere i princippet, siger Joel schindall , en professor i elektroteknik og datalogi ved MIT, der arbejder på nanorørelektroderne. Nøglen vil være at få vækstprocessen rigtigt og derefter arbejde på måder at fremstille den på en omkostningseffektiv måde.