A szuperkondenzátorok jelenleg még nem versenyképesek, de egy új alapkutatással olyan generációváltás jöhet, amivel a jelenlegi akkumulátorokat kiegészítve jelentős technikai váltást hozhatnak.
Az ionok mozgásának feltérképezésével komoly lépést tettek hatékonyabb szuperkondenzátorokkal elérhető áttörés felé a Coloradói Egyetem munkatársai.
A szuperkondenzátorok elektromostöltés-tároló eszközök, amik képesek a töltést nagyon gyorsan felvenni és leadni. Egyik fő alkalmazási korlátjuk, hogy energiasűrűségük messze elmarad az energiatárolás terén fő konkurenciájuktól, az újratölthető lítiumion-akkumulátoroktól. Utóbbiak tízszer annyi energiát képesek tárolni, mint a mai szuperkondenzátorok, amelyek ráadásul drágák is.
Az új generációs, olcsó és jobb kapacitású szuperkondenzátoroknak komoly hasznát vennénk az elektromos hálózatok terhelési hullámainak elosztásánál, kisebb léptékben lifteken vagy elektromos autókon. A kortárs elektromos autók egyik fő problémája, hogy hosszú időbe telik az akkumulátoraik feltöltése. Ettől nem függetlenül a fékezés során regenerált energiát sem tudják korlátlan sebességgel az akkumulátorra visszatölteni. A regeneráció valamivel 20 százalék feletti hatásfokán nagyot lendíthetne egy használható szuperkondenzátor.
Kínában Sanghajban és Hongkongban, kicsit közelebb Belgrádban működik olyan trolibuszvonal, amelyen akkumulátor helyett a
megállókban újratöltött szuperkondenzátorok
adják a motornak az energiát. Itt érdemes megemlíteni, hogy egy lítiumion-akkumulátor bánásmódtól függően pár ezer töltési ciklust tud kiszolgálni, a szuperkondenzátorok töltési ciklusai félmilliótól indulnak.
Az akkumulátorok kémiai reakciók segítségével mozgatnak elektronokat. A szuperkondenzátorok reakciók nélkül afféle szivacsként tárolják a töltést. Egy sóoldatban például pozitív és negatív töltésű ionok mozognak, a töltéstől függően a szivacs üregei az ellentétes töltésű ionokat szívják fel.
A tudományos ismereteink szerint a kondenzátor kapacitása úgy növelhető, hogy ha az anyagnak a térfogatához képest minél nagyobb a felülete. Jelenleg olyan nanoüreges anyagot is ismernek, ami 10 gramm tömeg mellett 20 ezer négyzetméteres. Az elmúlt húsz évben pedig azt igyekeztek felderíteni, hogy hogyan mozognak az ionok az anyag üregeiben és hogyan optimalizálható a mozgásuk.
A Coloradói Egyetem mérnökei ennek a szivacsosságnak a továbbfejlesztésén dolgoztak. A kutatókat vezető Ankur Gupta korábban a víztisztításban használt porózus anyagokat kutatta.
Gupta szerint az ilyen anyagokat keveset kutatják annak ellenére, hogy energetikai alkalmazásuknak milyen jelentős civilizációs hatása lehet.
Az új alapkutatásban az ionok közlekedésének felderítéséhez a Kirchhoff-törvényeket alkalmazták. Ezeket a törvényeket Gustav Kirchhoff német fizikus alkotta 1845-ben áramkörök működésének leírására. Az első törvény szerint, ahol csomópont van egy áramkörben, az onnan kilépő áramok összege egyenlő a belépőáram összegével. A második törvény szerint egy zárt hurokban a feszültségek előjeles összege nulla. Elektronok elektromágneses mezőben mozognak, ionok azonban elektromágneses mező nélkül, a coloradói kutatók az ionok elektrokémiai feszültségét vették alapul a pórusokban megtett út leírásához.
A kutatás segítségével sikerült közelebbről megismerni az üreges anyagok viselkedését. Megállapították például, hogy az üregrendszerekben található kereszteződések lassítják a töltések áramlását, így az anyagból építhető kondenzátor töltési és energialeadási sebességét.
Az általunk felállított keretrendszer a számításokat hat nagyságrenddel gyorsítja anélkül, hogy a pontosság rovására menne
– írták.
Az eredmény új utat nyit hatékonyabb anyagokból épített jobb szuperkondenzátorok fejlesztéséhez. A kutatók szerint a jövő a biológiailag lebomló, 3D nyomtatással létrehozható, rugalmas energiatárolóké.
(The Conversation, Interesting Engineering, Phys.org, University of Colorado)